Правила подбора драйвера светодиодной лампы: виды, назначение + подключение

Зачем светодиоду драйвер?

Чтобы разобраться в этой проблеме, необходимо ознакомиться с вольт-амперной характеристикой (ВАХ) светодиода.

Светодиод VAC Светодиод VAC

Из графика видно, что при постепенном увеличении напряжения ток через светодиод поначалу вообще не течет. При достижении определенного значения Uini появляется ток, и прибор начинает светиться, тем ярче, чем выше напряжение. Когда достигается значение Unom, ток достигает проходного значения Inom, и светодиод загорается в полную силу.

Этот режим будет наблюдаться до тех пор, пока напряжение не достигнет значения Umax. При дальнейшем его увеличении кривая ВАХ резко возрастает — ток быстро превышает максимально допустимое значение и полупроводник перегорает. Таким образом, чтобы прибор не вышел из строя и при этом имел максимальную светоотдачу, необходимо точно выдерживать режим, при котором ток и напряжение имеют номинальное значение. Для этого вроде можно обойтись обычным стабилизатором напряжения, так как ток напрямую зависит от напряжения.

Но тут появляется новая проблема — ВАХ светодиода не постоянна и зависит от температуры кристалла. Чем выше температура, тем больше ВАХ смещается влево и становится круче. А вот Unom и Umax у всех светодиодов практически вплотную — окно обычно составляет десятые доли вольта. Как только кристалл немного прогреется, как предел Umax сдвинется влево, полупроводник выйдет из режима.

Смещение напряжения переменного тока для светодиода во время прогрева Смещение напряжения переменного тока для светодиода во время прогрева

Из графика видно, что после того, как кристалл нагрелся, для поддержания номинального тока необходимо снизить напряжение, но оно стабилизируется и ток стал критическим.

Из-за этого кристалл еще сильнее нагреется, сопротивление перехода снова упадет, а ток возрастет. Увеличение тока в свою очередь приведет к еще большему нагреву кристалла. Начнется лавинообразный процесс, который закончится тепловым пробоем. На самом деле устройство сгорит само.

Таким образом, обычной стабилизацией напряжения проблему не решить — необходимо стабилизировать ток и удерживать его на уровне Iном. Для этого используется драйвер, который фактически является стабилизатором тока. Совершенно очевидно, что характеристики драйвера, особенно ток стабилизации, должны соответствовать характеристикам светодиода, который указан в паспорте.

Примечательно, что в паспорте указано не рабочее напряжение светодиода, а рабочий ток, и теперь это понятно.

Назначение и сфера использования

Кристаллы диода состоят из двух полупроводников — анода (плюс) и катода (минус), которые отвечают за преобразование электрических сигналов. Один участок имеет P-тип проводимости, другой — N. При подключении источника тока через эти элементы будет протекать ток.

Из-за такой полярности электроны устремляются из зоны P-типа в зону N-типа, и наоборот, заряды из точки N устремляются в P. Однако каждая часть области имеет свои границы, называемые PN-переходами. В этих областях частицы встречаются и взаимно поглощаются или рекомбинируют.

Диод относится к полупроводниковым элементам и имеет только один p-n переход. По этой причине основной характеристикой, определяющей степень яркости их свечения, является не напряжение, а ток

Во время PN-переходов напряжение падает на определенное количество вольт, всегда одинаковое для каждого элемента цепи. При этих значениях драйвер стабилизирует входной ток и формирует постоянное значение на выходе.

Какой ток требуется и какие значения потерь при прохождении ПН указаны в паспорте светодиодного блока. Поэтому при выборе диодной лампочки необходимо учитывать параметры блока питания, диапазон которых должен быть достаточным для компенсации потерянной энергии.

Чтобы мощные светодиоды проработали указанное в характеристиках время, требуется устройство стабилизации — драйвер. Выходное напряжение электронного механизма всегда отображается на корпусе

Источники питания напряжением от 10 до 36 В применяются для оснащения осветительных приборов.

Техника может быть разной:

• фары автомобилей, велосипедов, мотоциклов и так далее;
• небольшие переносные светильники или уличные фонари;
• светодиодные ленты, ленты, потолочные светильники и модули.

Однако для маломощных светодиодов, а также при использовании постоянного напряжения допустимо не использовать драйверы. Вместо него в схему введен резистор, также питаемый от сети 220 В.

Драйверы – какие бывают и чем отличаются

Как было сказано выше, драйверы, управляющие светодиодами, могут быть двух типов — линейные и импульсные. Оба выполняют одну и ту же задачу — стабилизируют ток, протекающий через светодиод, на заданном уровне. Но принцип стабилизации у них существенно отличается.

Линейные

По сути, такой стабилизатор представляет собой переменный резистор, но мотором управляет не рука человека, а электронная схема.

Упрощенная схема линейного стабилизатора тока. Упрощенная схема линейного регулятора тока

При подаче на вход схемы напряжения Uвх оно проходит через элемент управления РЭ, схему управления током СТ и поступает на выход, к которому подключена нагрузка. Узел ТТ управляет током и в зависимости от его значения изменяет сопротивление РЭ. Ток маленький — сопротивление РЭ уменьшается, если большой — увеличивается. В результате нагрузка поддерживается током, на который настроен конкретный ТТ.

Конечно, регулируется не ток, а напряжение на нагрузке, но от его значения зависит величина тока.

Стабилизатор, работающий по такому принципу, прост в сборке, достаточно надежен и при необходимости легко ремонтируется. Он доступен по цене и имеет хорошие массогабаритные показатели. Кроме того, такая схема обеспечивает непрерывное регулирование тока и не создает импульсных помех в токовых цепях.

Но у этого принципа есть и существенный недостаток — низкий КПД. Линейный регулятор по существу представляет собой регулируемый делитель напряжения. Необходимая часть Uвх поступает в нагрузку, остальная бесполезно рассеивается регулирующим элементом, роль которого обычно выполняет транзистор того или иного типа. Что касается КПД, то его легко рассчитать по простой формуле:

КПД = Uвых/Uвх

В этом случае входной и выходной токи одинаковы и не могут быть включены в расчет. То есть чем выше разница между входным и выходным напряжением, тем ниже КПД. Так, при питании восемнадцативаттного светодиода CREE XM-L2 от двенадцативольтового источника КПД стабилизатора составит 50%, а мощность, рассеиваемая на управляющем элементе, достигнет тех же 18 Вт. То есть половина энергии источника питания будет просто бесполезна для нагрева РЭ, для которого конечно нужен радиатор.

Импульсные

Принцип работы этого типа стабилизатора принципиально отличается от принципа линейной стабилизации.

Упрощенная схема импульсного стабилизатора тока Упрощенная схема импульсного стабилизатора тока

Здесь регулирующим элементом является ключ К, а схема дополнена дросселем L и диодом. Когда ключ закрыт, индуктор начинает запасать энергию в магнитном поле, и ток через него постепенно увеличивается. Диод в этот момент заперт и в процессе не участвует.

Как только ток достигнет установленного значения, регулятор тока КТ откроет ключ. Диод откроется, и катушка индуктивности начнет возвращать в цепь накопленную энергию. Постепенно ток начнет уменьшаться и как только он достигнет критического низкого значения, ТТ снова замкнет ключ К. Процесс будет повторяться.

Понятно, что на управляющем элементе, работающем в ключевом режиме, будет рассеиваться значительно меньшая мощность, чем при работе в режиме линейной стабилизации. Именно поэтому стабилизаторы, работающие по этому принципу, имеют высокий КПД, который при правильно подобранных элементах может достигать 98% даже при больших токах коммутации. При этом элемент управления не нуждается в громоздком радиаторе, что значительно улучшит массогабаритные показатели.

Однако существенно не улучшится, так как место радиатора займет газ. Он несколько меньше радиатора, но при больших токах переключения может быть достаточно большим.

Что касается недостатков, то они есть. Схема, работающая по такому принципу, значительно сложнее схемы с линейной стабилизацией и, конечно же, дороже. Но самое главное, управляющий элемент, работающий в ключевом режиме, создает высокочастотные (до мегагерц) помехи, распространяющиеся как по силовым цепям, так и в виде излучения радиоволн. Такие помехи могут мешать работе радиоприемников, усилителей звука и другого чувствительного оборудования.

Какой драйвер лучше?

На основании вышеизложенного сложно однозначно ответить на этот вопрос. Схема линейной стабилизации тока оправдывает себя только при работе с небольшими (до 100 мА) токами или небольшой разницей между входным и выходным напряжением. Исключением может быть только случай, когда необходимо полное отсутствие помех — в студиях звукозаписи, больницах с чувствительным оборудованием и т.п.

Импульсные драйверы, хотя и имеют свои недостатки, все же в большинстве случаев предпочтительнее линейных. Поэтому сегодня они практически вытеснили устройства линейного типа, оставив им лишь узкую, строго ограниченную нишу.

Читайте также: Потолочный плинтус с подсветкой: установка светодиодной ленты по периметру потолка

Принцип работы блока питания

Давайте выясним, в чем разница между источником напряжения и блоком питания. В качестве примера посмотрите на схему ниже.

При подключении резистора 40 Ом к источнику питания 12 В через него потечет ток 300 мА (рис. А). При параллельном включении в цепь второму резистору значение тока будет — 600 мА (В). Однако напряжение останется неизменным.

Несмотря на подключение к блоку питания двух резисторов, второй на выходе будет создавать постоянное напряжение, т к в идеальных условиях не слушается нагрузки

Теперь рассмотрим, как изменятся значения, если в цепи к источнику питания подключить резисторы. Точно так же мы вводим реостат на 40 Ом с драйвером на 300 мА. Последний создает на нем напряжение 12 В (схема Б).

Если цепь состоит из двух резисторов, ток не изменится, а напряжение будет 6 В (G).

Драйвер, в отличие от источника напряжения, поддерживает заданные параметры тока на выходе, но выходное напряжение может изменяться

Делая выводы, можно сказать, что качественный преобразователь отдает номинальный ток в нагрузку даже при падении напряжения. Соответственно, диодные кристаллы на 2 В или 3 В и током в 300 мА будут одинаково сильно гореть при пониженном напряжении.

Отличительные характеристики преобразователя

Одним из важнейших показателей является передаваемая мощность под нагрузкой. Устройство не следует перегружать и стараться получить наилучший результат.

Неправильное использование способствует быстрому выходу из строя не только проходного механизма, но и светодиодных микросхем.

Наиболее важными факторами, влияющими на работу, являются:

• компоненты, используемые в процессе сборки;
• степень защиты (IP);
• минимальное и максимальное значения на входе и выходе;
• режиссер.

Современные модели инверторов производятся на основе микросхем и используют технологию широтно-импульсного преобразования (ШИМ).

В процессе работы блока питания введен метод широтно-импульсной модуляции для регулирования величины выходного напряжения, при этом на выходе поддерживается тот же вид тока, что и на входе

Такие устройства отличаются высокой степенью защиты от коротких замыканий, перегрузок сети, а также имеют повышенный КПД.

Правила подбора преобразователя тока

Чтобы купить преобразователь для светодиодной лампы, следует изучить основные характеристики устройства. Стоит опираться на выходное напряжение, номинальный ток и выходную мощность.

Мощность световых диодов

Давайте сначала проанализируем выходное напряжение, которое зависит от нескольких факторов:

• величина падения напряжения на PN-переходе к кристаллам;
• количество светодиодов в цепочке;
• схема подключения.

Параметры номинального тока можно определить по характерным свойствам потребителя, а именно по мощности светодиодных элементов и степени их яркости.

Этот показатель будет влиять на потребляемый кристаллами ток, диапазон которого варьируется в зависимости от требуемой яркости. Задача преобразователя — снабдить эти элементы необходимым количеством энергии.

Значение выходного напряжения должно быть больше или равно общему количеству энергии, приложенной к каждому блоку в электрической цепи

Мощность устройства зависит от силы каждого светодиодного элемента, их цвета и количества.

Для расчета энергопотребления используйте следующую формулу:

PH = PLED*N,

Где

• PLED — электрическая нагрузка, создаваемая одним диодом,
• N – количество кристаллов в цепочке.

Полученные показатели должны быть не меньше мощности драйвера. Теперь необходимо определить необходимый номинал.

Максимальная мощность прибора

Также следует учитывать, что для обеспечения стабильной работы преобразователя его номинальные значения должны превышать достигнутое значение РН на 20-30.

Таким образом, формула становится:

Pmax ≥ (1,2..1,3) * PH,

где Pmax – номинальная мощность источника питания.

Кроме мощности и количества потребителей на плате нагрузочная способность зависит еще и от цветовых факторов потребителя. При одинаковом токе в зависимости от оттенка имеют разные показатели падения напряжения.

Драйвер для светодиодной лампы должен обеспечивать величину тока, необходимую для обеспечения максимальной яркости. При выборе устройства покупатель должен помнить, что эффект должен быть больше, чем все светодиоды используют

Возьмем, к примеру, светодиоды американской компании Cree из линейки XP-E красного цвета.

Их характеристики следующие:

• падение напряжения 1,9-2,4 В;
• ток 350 мА;
• средняя потребляемая мощность 750 мВт.

У зеленого аналога с таким же током будут совсем другие показатели: потери на PN переходе 3,3-3,9 В, а мощность 1,25 Вт.

Соответственно, можно сделать выводы: драйвер, рассчитанный на 10 Вт, используется для управления двенадцатью красными кристаллами или восемью зелеными.

Схема подключения светодиодов

Выбор драйвера следует производить после определения схемы подключения светодиодных потребителей. Если вы сначала купите светодиоды, а потом подберете к ним преобразователь, то этот процесс будет сопровождаться множеством сложностей.

Для поиска устройства, обеспечивающего работу именно такого количества потребителей при заданной схеме подключения, приходится тратить немало времени.

Возьмем пример с шестью потребителями. Падение напряжения у них 3 В, ток потребления 300 мА. Для их подключения можно воспользоваться одним из способов, при этом необходимые параметры блока питания в каждом случае будут разными.

Недостатком секвенсорных диодов является необходимость в высоковольтном источнике питания, если в схеме много кристаллов

В нашем случае при последовательном соединении потребуется блок на 18 В с током 300 мА. Основное преимущество этого метода в том, что по всей линии проходит одинаковая мощность, соответственно все диоды горят с одинаковой яркостью.

Недостатком параллельного размещения потребителей является различие яркости свечения каждой цепи. Такое негативное явление возникает из-за разброса параметров диодов из-за разницы между током, проходящим через каждую линию

Если используется параллельное размещение, достаточно преобразователя на 9 В, но потребляемый ток будет удвоен по сравнению с предыдущим методом.

Нельзя использовать метод последовательного расположения двух диодов с заменой количества кристаллов, входящих в группу, — 3 и более. Такие ограничения связаны с тем, что через один элемент может проходить слишком большой ток, а это создает возможность выхода из строя всей схемы

При последовательном способе с формированием пар из двух светодиодов используется драйвер с аналогичными показателями, как и в предыдущем случае. В этом случае яркость освещения уже будет равномерной.

Однако здесь имелись и отрицательные нюансы: при подаче тока на группу из-за разброса характеристик один из светодиодов может открываться быстрее другого, соответственно ток в два раза превышает номинал.

Многие виды светодиодов домашнего освещения рассчитаны на такие кратковременные скачки, но этот метод менее популярен.

Виды драйверов по типу устройства

Устройства, преобразующие ток 220 В в необходимые для светодиодов показатели, условно делят на три категории: электронные; на основе конденсаторов; диммируемый

Рынок осветительных аксессуаров представлен большим разнообразием моделей драйверов, преимущественно китайского производителя. И несмотря на низкий ценовой диапазон, из этих устройств можно выбрать вполне достойный вариант. Однако следует обратить внимание на гарантийный талон, т.к. Не вся представленная продукция приемлемого качества.

Электронный вид прибора

В идеале электронный преобразователь должен быть оснащен транзистором. Его роль заключается в разгрузке управляющей микросхемы. Для устранения или максимального сглаживания пульсаций на выходе монтируется конденсатор.

Этот тип устройств относится к категории дорогих, но способен стабилизировать ток до 750 мА, на что балластные механизмы не способны.

Последние версии драйверов в основном устанавливаются на лампочки с цоколем Е27. Исключением из правил являются продукты Gauss GU5.3. Они оснащены бестрансформаторным преобразователем. Однако степень пульсации в них достигает нескольких сотен Гц

Пульсация — не единственный недостаток преобразователей. Другой можно назвать электромагнитными помехами в диапазоне высоких частот (ВЧ). Так что если к розетке, подключенной к лампе, подключены другие электроприборы, например, радиоприемник, можно ожидать помех при приеме цифровых FM-частот, телевизора, роутера и т д

В дополнительном блоке качественного блока должно быть два конденсатора: один электролитический для сглаживания пульсаций, другой керамический для понижения ВЧ. Однако такое сочетание можно встретить редко, особенно если речь идет о китайских продуктах.

Те, кто имеет общие понятия в таких электрических схемах, могут самостоятельно подобрать выходные параметры электронного преобразователя, изменив номинал резисторов

Благодаря высокому КПД (до 95%) такие механизмы подходят для мощных устройств, используемых в различных сферах, таких как тюнинг автомобилей, уличное освещение и бытовые светодиодные источники.

Блок питания на основе конденсаторов

Теперь перейдем к не столь популярным устройствам — на основе конденсаторов. Практически все схемы дешевых светодиодных ламп, в которых используется этот тип драйвера, имеют схожие характеристики.

Однако из-за модификаций производителя они претерпевают изменения, такие как удаление какого-либо элемента цепи. Особенно часто этой деталью является один из конденсаторов — выравнивающий.

Из-за бесконтрольного наполнения рынка дешевыми некачественными товарами пользователи могут «почувствовать» стопроцентную пульсацию в лампах. Даже не вникая в их устройство, можно утверждать, что элемент уравнивания убран из схемы

Преимуществ у таких механизмов всего два: они доступны для самостоятельной сборки, а их КПД равен стопроцентному, так как потери будут только на p-n переходах и резисторах.

Столько же отрицательных сторон: низкая электробезопасность и высокая степень пульсации. Другим недостатком является ок. 100 Гц и образуется в результате выпрямления переменного напряжения. В ГОСТ прописана норма допустимой пульсации в 10-20% в зависимости от назначения помещения, где устанавливается осветительная установка.

Единственный способ уменьшить этот недостаток — выбрать конденсатор правильного номинала. Тем не менее, не стоит рассчитывать на полное устранение проблемы – такое решение может лишь сгладить интенсивность высыпаний.

Диммируемые преобразователи тока

Драйверные диммеры для диммируемых светодиодных ламп позволяют изменять показатели входящего и исходящего тока, уменьшая или увеличивая при этом степень яркости света, излучаемого диодами.

Есть два способа подключения:

• первый предполагает плавный пуск;
• другой импульсивный.

Рассмотрим принцип работы диммируемых драйверов на микросхеме CPC9909, используемых в качестве регулятора для схем светодиодов, в том числе с повышенной яркостью.

Стандартная схема включения CPC9909 с питанием 220 В Согласно инструкции-схеме возможно управление одним или несколькими мощными потребителями

При плавном пуске микросхема с драйвером обеспечивает постепенное включение диодов с увеличением яркости. Для этого процесса используются два резистора, подключенные к клемме LD, предназначенные для выполнения задачи равномерного затемнения. Так реализуется важная задача — продлить срок службы светодиодных элементов.

Такой же выход обеспечивает аналоговое регулирование — резистор 2,2 кОм заменен на более мощный переменный аналог — 5,1 кОм. Таким образом достигается плавное изменение потенциала на выходе.

Использование второго метода предполагает подачу прямоугольных импульсов на низкочастотный выход ШИМ. В этом случае используется либо микроконтроллер, либо генератор импульсов, который обязательно разделен оптопарой.

С корпусом или без него?

Драйверы доступны с чехлом или без него. Первый вариант самый распространенный и более дорогой. Такие устройства защищены от влаги и частиц пыли.

Устройства второго типа используются для скрытого монтажа и поэтому дешевы.

Питание всех представленных устройств может быть от сети 12 В или 220 В. Несмотря на то, что бескаркасные модели выигрывают в цене, они значительно отстают по безопасности и надежности механизма

Каждый из них отличается допустимой температурой при эксплуатации – это тоже нужно учитывать при выборе.

Классическая схема драйвера

Для самостоятельной сборки блока питания светодиода будем использовать простейший блок импульсного типа, не имеющий гальванической развязки. Основным преимуществом данного типа схемы является простота подключения и надежная работа.

Схема преобразователя на 220 В представлена ​​в виде импульсного блока питания. При установке должны быть соблюдены все правила электробезопасности, так как нет ограничений по выходному току

Схема такого механизма состоит из трех основных каскадных областей:

1. Разделитель напряжения на емкости.
2. Выпрямитель.
3. Сетевые фильтры.

Первая часть – это противопоставление переменного тока на конденсаторе С1 резистором. Последнее требуется только для самозарядки инертного элемента. На работу схемы это не влияет.

Номинальное значение резистора может быть в пределах 100 кОм-1 МОм, мощностью 0,5-1 Вт. Конденсатор должен быть электролитическим, а его действующее пиковое значение напряжения составляет 400-500 В

Когда генерируемое полуволновое напряжение проходит через конденсатор, ток течет до тех пор, пока пластины не зарядятся полностью. Чем меньше мощность механизма, тем меньше времени уйдет на полную зарядку.

Например, прибор объемом 0,3-0,4 мкФ заряжается в течение 1/10 периода полуволны, то есть через этот участок пройдет только одна десятая часть проходящего напряжения.

Процесс коррекции на этом участке осуществляется по схеме Гретца. Диодный мост выбирается исходя из номинального тока и обратного напряжения. При этом последнее значение должно быть не менее 600 В

Второй каскад представляет собой электрическое устройство, преобразующее (выпрямляющее) переменный ток в пульсирующий. Такой процесс называется двусторонним. Так как часть полуволны сглаживается конденсатором, то на выходе с этой секции будет постоянный ток 20-25 В.

Так как питание светодиодов не должно превышать 12 В, для схемы необходимо использовать стабилизирующий элемент. Для этого вводится емкостной фильтр. Например, вы можете использовать модель L7812

Третий каскад работает на основе выравнивающего стабилизирующего фильтра — электролитического конденсатора. Выбор емкостных параметров зависит от мощности нагрузки.

Так как составная схема воспроизводит работу сразу, касаться только проводов нельзя, так как проводимый ток достигает десятков ампер — в первую очередь изолируются линии.