Ingo Electronics


                                   HOME


                                                                          Galingų LED maitinimas. LED draiveris.




LED (angl. Light - emitting diode) – šviesą išskiriantis diodas, dar kitaip vadinamas šviesos diodu – yra vienas iš šiuo metu populiaresnių buityje naudojamų šviesos šaltinių.
Šviesos diodus galima butų išskirti į keletą grupių, iš kurių pagrindinės yra:
- Šviesos šaltiniai
- Indikatoriai
- IR (infroraudonųjų spindulių)

Visų LED pagrindinės charakteristikos, kurias reikia žinoti konstruojant ir pasirenkant šviesos diodus yra šios:
- Liumenas
- Kandela
- Bangos ilgis
- Kelvinai
- Spinduliavimo kampas
- Srovė
- Tiesioginė ant diodo krentanti įtampa
- Atbulinė įtampa
- Sunaudojamas galingumas
- Pikinė srovė (prie šio parametro dar papildomai duodamas impulso laikas ir impulsų  „duty")

Liumenas
Žmogaus akiai matomo šviesos srauto matavimo vienetas yra liumenas (Lm).
Tam kad nesigilinti į teorinius išveddžiojimus kam yra lygus vienas liumenas , geriausia pasinaudoti palyginimu.
Pvz. 100W kaitrinė lemputė skleidžia 1550—1630 Lm šviesos srautą.
Praktiškai užtenka žinoti, kad liumenais išreiškiamas šviesos stiprumas.
Įš teorinio liumeno apibrėžimo reiktų žinoti tik, kad liumenas yra šviesos srautas skleidžiamas visomis kriptimis nuo spinduliavimo šaltinio,
t.y sferos formos šviesos srautas.
Todėl LED, kaip šviesos šaltinių, jų duodamas šviesos srautas, dažniausiai yra pateikiamas liumenais.

Kandela
Kandela yra dar vienas šviesos srauto matavimo vienetas, tačiau tai yra srautas matomas tam tikru apibrėžtu kampu, už kurio ribų šviesos intensyvumas idealiu atveju būtų lygus nuliui.
Kandela (angl. Candela,cd) — tai monochromatinis
žalios spalvos šviesos srautas spinduliuojamas viena kryptimi,vieno steradiano kampu ir duodantis 1/683 vatų galią.
Žalia spalva pasirinkta todėl kad, žmogaus akis yra jautriausia šioje šviesos spektro dalyje.
Kandelos apibrėžimas sunkiai suprantamas, tačiau praktiškai mums jis nėra labai reikalingas.

Jeigu šviesos spinduliavimas yra kitokio bangos ilgio, tai kad pasiekti tą patį šviesos srautą, šviesos šaltinis turės naudoti didesnį galingumą.
LED, kurie yra naudojami kaip indikatoriai, jų duodamas šviesos srautas dažniausiai yra pateikiamas kandelomis ir spinduliavimo kampu.
Su liumenais tai viskas aišku, kuo daugiau liumenų tuo šviesa ryškesnė.
Su kandelomis yra truputi sudėtingiau. Pvz. sunku pasakyti kuris šviesos diodas bus ryškesnis: 9mcd 10 °, ar 16mcd 5 ° .
Ryšys tarp liumenų ir kandelų priklauso nuo kampo kuriuo spinduliuojama šviesa ir spinduliuojamos šviesos bangos ilgio.
Šviesos srautą nurodytą kandelomis galima paversti mums labiau suprantamais liumenais tik tuo atveju, jeigu yra duotas spinduliavimo kampas.
Tam kad kandelas paversti liumenais, galima pasinaudojant žemiau esančiu skriptu:

Spinduliavimo kampas °
Šviesos srautas mcd
lm


Kelvinas (K) - Šviesos Temperatūra

Viena iš pagrindinių šviesos šaltinių charakteristikų yra jo šviesos temperatūra nurodoma kelvinais.
Kitaip sakant įkaitintų kūnų įvairių spinduliuojamų spalvų spektras apibūdinamas spalvine temperatūra
kuri išreiškiama pagal absoliutinę temperatūros skalę kelvinais (K).
Šviesos temperatūra yra svarbus parametras baltai spalvai, nusakantis baltos spalvos spinduliuojamų spalvų spektrą.
Šviesos srauto spalva, taigi ir spalvinė temperatūra, priklauso nuo pagrindinių spalvų santykio.
Kuo daugiau šviesoje mėlynųjų spindulių, tuo aukštesnė jos šviesinė temperatūra.
Žemėjant šviesinei temperatūrai, spalva turi stipresnį raudoną atspalvį.
Šylantis kūnas iš pradžių skleidžia tik nematomus infraraudonuosius spindulius.
Kai temperatūra pasiekia 500°C, ima sklisti matomieji spinduliai: iš pradžių raudonieji, toliau kylant temperatūrai, - raudona>oranžinė>geltona>balta>žydra>mėlyna>ryškiai mėlyna>fioletinė.
Dirbtinės šviesos šaltiniai turi žemesnę, negu natūralios šviesos šaltiniai, spalvinę temperatūrą.
Pvz. saulės spektras žemės paviršiuje dienos metu atitinka 5000-5500 K įkaitinto juodojo kūno spektrą.
Geriausios charakteristikos šviesa yra diapazone tarp 4300 ir 5000 laipsnių pagal Kelviną nes tokia šviesa atitinka tą šviesą kurią generuoja saulė pietų metu giedrą vasaros dieną.
Žmogaus akis pripratusi prie tokios šviesos ir geriau mato objektus apšviestus tokia šviesa.
Dažnai baltos spalvos šviesinė temperatūra nusakoma pagal jos atspalvį:
Pvz:
Warm White iki 2700K-3000K (Šiltai balta,labiau į geltonumą)
Neutral White arba White 2800-3600k (Neutrali)
Cool arba Cold White 3600K to 4900K (Šaltai balta,arba mėlynai balta)
Daylight White 5000K – 5700K (Dienos šviesa)
Pure Cool White >5700K (Grynai balta)

LED maitinimui yra keletas būdų:

Led maitinimas panaudojant balastinį rezistorių.

Šviesos diodai yra labai jautrūs įtampos pokyčiams, nes jų voltamperinė charakteristika yra netiesinė, ir viršijus leistiną darbinę įtampą, per jį tekanti srovė kyla pagal eksponentinį dėsnį.

Kitaip sakant kad ir nežymiai viršijus leistiną darbinę įtampą, srovė gali išaugti keletą kartų.

Taip pat ant šviesos diodo krentanti įtampa šiek tiek keičiasi priklausomai nuo aplinkos temperatūros.

Dėl šių priežasčių, LED‘ams reikia stabilizuoti ir apriboti per juos tekančią srovę, būtent srovę, o ne jiems paduodamą įtampą.
 
Vienas iš LED užmaitinimo būdų yra per jį tekančią srovę nustatyti ir apriboti paprasčiausiu rezistoriumi. 1,2,3 pav.

Tai paprastas ir plačiai naudojamas būdas.

Rezistorius šiuo atveju yra jungiamas nuosekliai LED‘ui arba keliems nuosekliai sujungtiems LED‘ams.

led_rez led_rez3 led_rez8
                                1pav.                                                                   2pav.                                                      3pav.
 

Rezistoriaus R1 nominalas apskaičiuojamas pagal formulę:   
R1=(Vin -Vd)/Id

Vin - maitinimo įtampa, Vd - tiesioginė ant diodo krentanti įtampa, Id - diodo nominali srovė, Nd - nuosekliai pajungtų diodų skaičius.

Jeigu nuosekliai jungiame kelis diodus, tai Vd padauginam iš diodų skaičiaus:  R1=(Vin - 3*Vd)/Id
   
R1 paskaičiavimui galima pasinaudoti šiuo skriptu:



 
Lygiagreciai jungti šviesos diodus nepatartina, dėl to kad gali šiek tiek skirtis ant jų krentanti įtampa, ko pasekoje LED‘ai švies nevienodai, be to, vienam išėjus iš rikiuotės, kitas momentaliai bus sudegintas.

Norint LED‘us jungti lygiagreciai, juos reikia išskaidyti į grupes kaip parodyta 3pav.

Tuomet kiekvienai grupei paskaiciuojam varžas pagal anksciau duotą pavyzdį.

Tačiau tai nėra labai efektyvus būdas.

Trūkumai yra šie:

-šv.diodo srovė nėra stabilizuojama

- gali būti naudojamas tik kartu su maitinimo šaltiniu kurio įtampa yra pastovi ir nekintanti.

- pakeitus maitinimo šaltinį, reikalinga perskaičiuoti rezistoriaus nominalą.

- Pasikeitus LED‘o ryškumui (t.y padidėjus arba sumažėjus per jį tekančiai srovei, kas gali atsitikti jeigu pvz. LED‘as pernešamas į žemesnės temperatūros aplinką), rezistoriaus nominalą tokiu atveju taip pat jau reiktų perskaičiuoti.

- ant nuosekliai pajungto rezistoriaus krenta tam tikras galingumas. Tai padidina LED maitinimo schemos suvartojamą galingumą.

Įvertinant visą tai, šis būdas išimtinais atvejais gali būti naudojamas mažo galingumo LED‘ams  kai nuostoliai nėra labai svarbūs .

-taip pajungus didesnio galingumo šv.diodus prie baterijos ar akumuliatoriaus, pastarieji bus naudojami labai neekonomiškai.


Led maitinimas panaudojant reguliuojamos įtampos stabilizatorų LM317.


Populiari mikroshema LM317 gali dirbti ne tik kaip įtampos stabilizatorius, bet ir kaip srovės stabilizatorius. LM317 savyje turi atraminį stabilzuotą 1,25V įtampos šaltinį, kurios atžvilgiu ir vyksta reguliavimas.

LED maitinimo su LM317 schema parodyta 4pav.

lm317_Ireg

Reikalinga per šv. diodus tekanti srovė nustatoma su rezistiriumi R1.
Galima jungti vieną arba kelis nuosekliai sujungtus LED'us.
Jungiant keletą LEDų svarbu kad jų bendra suminė įtampa (n*Vd), neviršytų maitinimo įtampos (Vin).
R1 nominalas ir jo galingumas (Prez) paskaičiuojamas pagal paveikslėlyje esančia formulę, arba galima pasinaudoti žemiau esančiu skriptu:
Nd - nuosekliai pajungtų LED'ų skaičius.



Svarbus yra LM317 suvartojamas galingumas (Preg). Kuo jis mažesnis, tuo efektyviau dirba schema ir mažesni nuostoliai.
LM317 pdf aprašyme nėra tiksliai nurodyta koks gali buti jo maksimalus galingumas, čia reiktų orientuotis pagal jo temperatūrą dabo metu. Jeigu jos korpusas labai kaista ( T>50 °C ) reikalingas papildomas šilumos nuvedimas panaudojant radiatorių, arba turi būti mažinama maitinimo įtampa.

Optimaliausia variantas, kai Vin tik keliais voltais viršija suminę pajungtų šv.diodų įtampą.

Didžiausia paduodama maitinimo įtampa Vin gali būti iki 37V, mažiausia 3V , tačiau tai yra ribinės reikšmės ir prie tokių parametru shemos darbas nepatartinas.

Maksimali srovė  Id gali būti iki 1,5A, bet tumet  reikia atsižvelgti  į LM317 išskiriamą gaingumą, kad neviršyti jo išskiriamos leistinos temperatūros.

Šios schemos privalumas, kad yra stabilizuojam srovė, ir maitinimo įtampa darbo eigoje gali gali keistis tam tikrose ribose.

Trūkumai :

Schemos efektyvumas pagal sunaudojamą galią nėra geras, ypač jeigu parinktas per didelis maitinimas ir per mažas pajungtų diodų skaičius.
Gali būti naudojama kur nuostoliai nėra labai svarbūs ir kur įtampa darbo metu yra nepastovi, pvz. automobiliuose.




Impulsinis LED maitinimas

Visi aukščiau išvardinti ir kiti panašus LED maitinimo būdai priklauso prie balastinio tipo, t.y srovė reguliuojama ir nustatoma nuosekliai į diodų grandinę įvedant tam tikrą varžą, nesvarbu kokio pavidalo ji bebūtų - rezistorius,tranzistorius, analoginis itampos reguliatorius ir kt.
Visi balastinio tipo LED draiveriai nėra efektyvus ir patartina naudoti tik nedidelio galingumo, iki 100mA, diodams maitinti.

Galingesniems LED maitinti yra naudojamas impulsinis reguliavimo būdas.

Šiuo atveju gali būti naudojami  angl. step-down ("buck") (įtampą mažinantys) arba angl. step-up ("boost") (įtampą didinatys) impulsiniai įtampos keitikliai - konverteriai angl. ir pas mus jau prigijęs terminas LED draiveris.

Priešingai negu LED srovės apribojimas varžomis, impulsinių keitiklių perduodamos galios efektyvumas siekia  80- 90%, ir priešingai negu su rezistoriumi, draiveris pastoviai kontroliuoja per LED tekančią srovę, nepriklausomai nuo maitinimo šaltinio įtampos svyravimų ir aplinkos temperatūrų pasikeitimo.

 
- driveriai gaminami plačiam LED‘ų ir matinimo šaltinių diapazonui.

- aukštas galios suvartojimo efektyvumas.

- galima naudoti maitinimo šaltinį plačiose įtampos ribose.

- kai kurie LED draiveriai gali reguliuoti LED‘o ryškumą.

- paprastas pajungimas ir naudojimas.

 - tokie draiveriai nėra labai brangūs, yra daug elektronikos firmų gaminančiū įvairios paskirties ir parametrų LED draiverių.

Tačiau mėgstantiems ką nors konstruoti, tokį draiverį nesunku pasigaminti, tačiau tam reikalinga šiokia tokia elektronikos prietaisų konstravimo patirtis.

LED maitinimas panaudojant mikroschemą  uc34063

34063 tai viena iš pigiausių ir paprasčiausių DC/DC PWM konverterių, tačiau nepaisant to ją, sekmingai galima naudoti įvairiuose prokektuose.
Jos darbinė įtampa yra nuo 3V iki 40V , darbinė srovė iki 1,5A.

Žemiau pateikta schema standartiniam 1W LED'ui užmaitinti iš 12V įtampos šaltinio, kurio darbinė srovė 350mA.
Šioje schemoje galima nuosekliai prijungti vieną arba du LED diodus.

34063_led_driver_sch

Srovę riboja rezistorius R1. Ant jo krentanti įtampa paduodama į mikroschemos komparatorių, kurio atraminė įtampa yra 1,25V. Komparatorius reguliuoja šios mikroschemos išduodamų impulsų plotį.

Nesunku rezistoriaus R1 nominalą paskaičiuoti ir kitokiai per diodą tekančiai srovei, nes įtampos kritimas ant R1 tekant šiai srovei turi būti 1,25V.

R1 =  1.25/Id. Pvz. jei reikalinga srovė 750ma : R1=1.25/0.75= 1.6om

Rezistoriaus R1 galingumas turi būti ne mažiau 0,5W.  Kadangi apskaičiuotų R1 standartinių nominalų dažniausiai nebūna, R1 kombinuojam jungdami po kelis rezistorius nuosekliai arba lygiagrečiai.

Maitinimo šaltinis gali būti nuo 6 iki 40V. Vienam LED maitinti reikalinga ne mažesne kaip 6V įtampa, todėl pagal šią schemą norint pajungti pvz. 3 LED'us reikalinga apie 18V maitinimo šaltinio įtampa.

Surinkus  schemą, neprijungus šviesos diodų, patikriname  jos duodamą srovę. Kadangi tai yra srovės šaltinis, vietoje diodų jungiame nuolatinės srovės rodyklinį ampermetrą. Esant schemoje nurodytiems elementams, srovė bus apie 400mA, t.y šiek tiek daugiau negu apskaičiuota.
Jeigu srovė yra normos ribose, nuosekliai ampermetrui dar pajungiame LED'us, srovė turi nukristi iki apskaičiuotos t.y 350ma.

Mikrosschema 34063 esant tokiai srovei pradeda šiek tiek kaisti, ypač tai liečia, jeigu 34063 yra smd korpuse. DIP8 korpuse mikroschema kaista mažiau, tačiau smd mikroschemai, jeigu jinai ryškiai pradeda kaisti, reikalingas papildomas šilumos nuvedimas, tam galima panaudoti išlankstytą U formos varinės skardos gabaliuką, kurį priklijuojame prie mikroschemos viršutinės dalies šilumai laidžiu silikonu, arba iš bėdos kokiais nors Super Moment Glue klijais, šilumos nuvedimui paprastai šito užtenka.  Kaip tai padaryta galima matyti žemiau esančiose  pagaminto draiverio, su smd mikroschemomis, nuotraukose.
Dėmesio! Impulsiniai LED draiveriai, jeigu nėra prijungtų LED'ų, išėjime duodą pilną maitinimo šaltinio įtampą. Galingesnių LED'ų atbulinė įtampa nėra didelė, todėl reikia stengtis iškart pajungti LED'us prie draiverio teisinga tiesiogine kryptimi,nes priešingu atveju,pajungus atbulai, LED'as gali būti nepataisomai sugadintas!




4LED_img    4LED_34063_img
1.Pav.                                                                                                                      2.Pav.

4LED_34063_img2    4LED_34063_img3
3.Pav.                                                                                                                      4.Pav.


1.Pav. Buvo gaminamas draiveris keturiems LED'ams maitinti iš 12V įtampos šaltinio, kurių charakteristikos:

Emitted Color : White

DC Forward Voltage (VF): 3.6 ~ 4.0 Vdc

DC Forward Current (IF): 300 ~ 400 mA

Reverse Voltage (VR): 5V

Reverse Current (Ii): 5uA

Temperature Co-Efficient: 0.04nm / Degree C

Viewing Angle: 140 Degree

Intensity Luminous (Iv): 90 ~ 95 LM

Chromaticity:5500-6500K

2 - 4.Pav. Pagamintas dviejų kanalų LED draiveris, su dviem 34063 SMD mikroschemomis. Nuotraukoje matosi  R1 3,6 omų varža suformuota iš dviejų nuosekliai sujungtų varžų po 1,8 om. Mikroschemų papildomam aušinimui priklijuotos varinės skardos juostelės.

3.Pav. Kadangi šie LED'ai darbo metu išskiria nemažai šilumos, reikalingas papildomas aušinimas. LED aušinimui galima panaudoti radiatorių nuo nebenaudojamos kompiuterinės technikos procesoriaus. LED prispaudžiami su papildoma diuralio plokštele.

Pagamintas draiveris iš 12V akumuliatoriaus, šviečiant visiems keturiems LED'ams, naudoja apie 320mA srovę. Naudingumo koeficientas apie 90%.
Visų keturių LED'ų skleidžiamas šviesos srautas prilygsta 35W halogeninės lemputės skleidžiamam šviesos srautui.