Драйвер светодиода 220 вольт своими руками

Как сделать драйвер для светодиода своими руками?

Светодиоды практичны, долговечны, эффективны и экономны. Для стабильной работы этих полупроводниковых приборов необходима подача на их выводы электротока со строго выверенными параметрами. Для этого нужен специальный светодиодный драйвер, своими руками создать который несложно.

Назначение драйверов для светодиодов

Яркость светодиодной лампы зависит от 2 параметров: тока, проходящего через нее, и идентичности характеристик полупроводников, т. к. любое несоответствие выведет детали из строя. Но современное производство не в состоянии обеспечить полностью одинаковые параметры кристаллов.

Нестабильность тока в сети 220 вольт и отличие в характеристиках приводит к деградации материала и сгоранию светодиода. Чтобы избежать этого, ставят драйвер.

Он преобразует электроток:

• задает ему амплитуду;
• выпрямляет – делает его постоянным;
• подает на все элементы одинаковый ток (немного меньше максимального уровня) и не допускает их пробоя.

Ключевые особенности

Главное отличие драйвера в том, что при входном напряжении, на которое он рассчитан (например, 140-240 V), он устанавливает на светодиодах заданный уровень тока. При этом потенциал на выходе устройства может быть любым.

Основных характеристик у него 3:

1. Номинальный ток. Он не должен превышать паспортное значение светодиода, иначе диоды сгорят или будут гореть тускло.
2. Напряжение на выходе. Зависит от типа подключения полупроводников и их числа. Оно равно произведению падения потенциала 1 элемента на их количество и может меняться в широких пределах.
3. Мощность. От правильного расчета этой характеристики зависит вся работа устройства. Для этого суммируют мощности всех элементов и добавляют 20-25% (запас на перегрузку).

У светодиодной лампы из 10 элементов по 0,5 Вт этот параметр будет равен 5W. С учетом перегрузки следует выбрать драйвер на 6-7 W.

Но 2 последних параметра (мощность потребления и выходное напряжение) напрямую зависят от спектра излучения светодиода. Например, элементы ХР-Е (красные) при 1,9-2,5 V потребляют 0,75 W, а зеленые – 1,25 W при питании в 3,3-3,9 V. Получается, что драйвер в 10 W способен запитать 7 диодов одного цвета или 12 другого.

Теория питания светодиодных ламп от 220 в

Лед-лампа, лента под потолком или подсветка в современном телевизоре являются совокупностью нескольких мощных небольших светодиодов, размещенных в пространстве нужным образом.

Для замены 60 W лампочки (по яркости свечения) понадобится около дюжины недорогих полупроводниковых приборов.

Если каждый из них способен пропускать ток в 1 А при напряжении 3,3 V, то в осветительную сеть их включить нельзя – сразу сгорят. Можно воспользоваться делителем из резисторов, но на них будет рассеиваться большая мощность. Поэтому КПД светильника будет небольшим.

Для снижения напряжения и преобразования тока в постоянный применяют драйверы. Внутри этих устройств могут быть различные стабилизаторы тока, емкостно-резистивные делители и т. д.

В схему могут входить транзисторы, микросхемы, конденсаторы и т. д. Такие преобразователи меняют напряжение и обеспечивают подачу нужного количества тока каждому элементу.

Разновидности светодиодных драйверов

Есть несколько типов преобразователей для полупроводниковых источников света. Основные типы – линейный и импульсный. Каждый из них создается для своих целей и имеет свои нюансы.

Линейный

Этот тип применяют часто. Его сборка, при наличии всех деталей, может длиться 5-10 минут. Наладка ему почти не нужна – он начинает работать сразу.

В схеме присутствует линейный стабилизатор тока, который можно представить как переменный резистор, управляемый электронной схемой.

При подаче входного напряжения оно идет на регулирующий элемент и затем на схему (КТ) контроля тока. После этого оно появляется на выходе, к которому подсоединена нагрузка. Узел КТ проверяет ток и в зависимости от этого меняет сопротивление регулирующего элемента.

Недостаток подобного устройства – низкий КПД.

Импульсный

В основе этого типа драйвера лежит другой принцип. Регулирующим элементом здесь выступают ключи с трансформатором. При подаче напряжения на обмотках начинает запасаться энергия (в магнитном поле). Ток постепенно возрастает.

Как только он достигнет нужной величины, произойдет переключение ключей. Запасенная энергия пойдет в цепь, и ток начнет уменьшаться. По достижении минимального значения вновь сработают ключи и процесс повторится.

Принцип работы устройства

Основная работа драйвера – создание на выходе заданного значения тока и его поддержание. Любая схема подобного типа состоит из нескольких частей:

• сетевого фильтра, защищающего сеть от помех;
• конденсаторно-резисторного (RC) или трансформаторного узла для снижения напряжения;
• диодного моста для выпрямления;
• стабилизатора тока.

Устройство с RC фильтром действует так:

1. Конденсатор в сети переменного тока выполняет функции емкостного сопротивления. Вместе с мостом он образует делитель напряжения и уменьшает его до нужного предела. Резистор в его цепи служит для самозарядки.
2. Сниженное напряжение поступает на стабилизатор тока, а с него – на светодиоды.

Трансформаторный узел представляет собой устройство ключевого или другого типа, управляемое генератором. Он может быть выполнен на специализированных микросхемах, высоковольтных ключевых транзисторах, простых элементах или на ШИМ контроллере.

Такой драйвер работает следующим образом:

• при подаче питания мост выпрямляет его, и оно идет на ключи, на которых с помощью обмоток создаются противофазные напряжения;
• одновременно с ними включается генератор, который вырабатывает импульсы и запускает драйвер;
• ключи, включаясь попеременно, обеспечивают бесперебойную работу устройства через цепь обратной связи;
• на выходной обмотке возникает переменное напряжение, выпрямляемое мостом или 1-2 диодами вместе с электролитическими конденсаторами;
• далее в цепи стоит стабилизатор тока, к которому подключают светодиоды.

Характеристики и отличия от блоков питания led ленты

Нельзя применить вместо преобразователя простой БП, рассчитанный на те же напряжение и ток. Хотя оба устройства (драйвер и блок led ленты) выполняют почти одну и ту же функцию – существенные различия есть.

Простой БП преобразует напряжение и выдает постоянный ток. Элементы ленты, подключаемые к нему, состоят из светодиода и резисторов. Таких узлов в ленте может быть много.

Управлять свечением полупроводника трудно, т. к. оно зависит от изменения величины тока, а он в данном узле постоянный. Для увеличения или изменения яркости в светодиодной ленте придется одновременно регулировать все резисторы, а это нереально.

Драйвер является стабилизатором тока. Светодиоды подключены к нему последовательно. Поскольку в любой стабилизатор можно вставить регулирующий элемент, то яркость полупроводников получится свободно менять. Для этого следует лишь поднять или опустить общую величину силы тока.

Изготовление драйвера для светодиодов своими руками

Если в наличии пользователя есть несколько полупроводниковых кристаллов или линейка подсветки из старого телевизора, он может самостоятельно сделать источник тока для них.

Для этого следует приобрести приборы и детали или выпаять радиоэлементы из старой аппаратуры. Часто КПД устройств, сделанных своими руками, намного выше, чем у промышленных образцов.

Материалы и инструменты для работы

Для самодельного простого драйвера потребуются:

• конденсаторы: простой 0,27 мкф на 400 V и 2 электролитических 500×16 V и 100×16 V;
• резистор 500 кОм на 0,5 W;
• 4 диода или готовый мост на 220 V;
• микросхема LM317;
• паяльник мощностью 20-40 Вт;
• флюс и припой (желательно типа ПОС);
• пассатижи, кусачки, плоскогубцы;.
• многожильные изолированные проводники из меди сечением 0,35-1 мм²;
• трубка термоусадочная;
• мультиметр или тестер;
• изолента;
• плата для распайки элементов.

Схемы простого драйвера для светодиода 1 Вт и мощного

Классический преобразователь представляет собой сочетание электронного делителя напряжения и микросхемы-стабилизатора. Первый узел состоит из 2 элементов (конденсатора 0,27 мкф и резистора 500 кОм), соединенных параллельно, к которым последовательно подключен мост из диодов, выдерживающих входное напряжение.

Для сглаживания пульсаций устанавливают 2 «электролита». Первый из них 500×16 V паяют сразу после моста. Затем монтируют стабилизатор тока. За ним второй конденсатор 100×16 V.

В качестве стабилизатора часто применяют микросхему L7812, но это не совсем правильное решение. Она является линейным устройством, регулирующим напряжение, и при изменении тока может сгореть.

Схема подключения

Лучше воспользоваться микросхемами LM317, LM338 или LM350, у которых есть защита от КЗ и перегрева. Питать их можно любым напряжением 5-35 V. К драйверу можно подсоединить 5-10 светодиодов.

Схема подключения проста:

• плюс делителя идет на вход микросхемы (1 вывод);
• общий провод через анод светодиода идет на минус радиодетали (среднюю ножку);
• туда же через резистор, ограничивающий ток, подключен выход LM317 (3 контакт).

Установив вместо последнего элемента регулируемое сопротивление, можно изменять силу тока, т. е. яркость светодиодов в некоторых пределах.

Если нужно соорудить мощный прожектор, то драйвер придется модифицировать:

• необходимо поднять питающее напряжение до 24 V;
• установить стабилизатор с наибольшим током, а из предложенных микросхем только LM338 может выдавать 5А.

Ввиду большой силы тока следует установить ее на радиатор.

Как собрать и настроить драйвер?

В простом преобразователе для светодиодов мало элементов. Драйвер можно собрать на специальной плате, куске фанеры или провести навесной монтаж.

Устройство не требует наладки, если взять все указанные детали. Главное – правильно рассчитать резистор, ограничивающий ток.

Нюансы драйвера без стабилизатора тока

Многие пользователи совсем не ставят микросхему или другой подобный узел. Но отсутствие трансформатора приводит к пульсации напряжения и тока.

Яркость светодиодов при этом тоже меняется. Частично проблему решает конденсатор, установленный после моста. Если стабилизатор не установлен, то минимальная величина пульсации составит 2-5 V.

Вариант c микросхемой позволит избавиться от проблемы. Поэтому драйвер, смонтированный своими руками, по степени пульсации не уступит зарубежным аналогам.

Правила расчета технических параметров

Работоспособность любого устройства зависит от правильно подобранных компонентов. Поэтому необходимо знать, как рассчитывать каждый элемент драйвера.

Емкость гасящего конденсатора определяют по формуле:

С(мкФ) = 3200*I нагрузки/√(Uвход²-Uвыход²)

Например, для светодиодов с током 300 mA :

С(мкФ) = 3200* 300 /√(220²-24²) = 4,367 мкф.

Величина ограничивающего сопротивления прямо пропорциональна количеству потребляемого тока:

• 500 mA – 2,5 Ом;
• 250 mA – 5 Ом;
• 125 mA – 10 Ом.

Зная эти величины, можно рассчитать резистор для любого количества светодиодов.

Срок службы устройства

Длительность работы драйвера зависит от разных параметров. Это напряжение и ток нагрузки, качество использованных деталей, правильный расчет и многое другое. Общий срок службы устройства может составить от 1 года до нескольких десятков лет.

Источник

Простая схема драйвера для светодиодной лампы на 220 вольт для сборки своими руками

Неотъемлемой частью любой качественной лампы или светильника на светодиодах является драйвер. Применительно к освещению, под понятием «драйвер» следует понимать электронную схему, которая преобразует входное напряжение в стабилизированный ток заданной величины. Функциональность драйвера определяется шириной диапазона входных напряжений, возможностью регулировки выходных параметров, восприимчивостью к перепадам в питающей сети и эффективностью.

От перечисленных функций зависят качественные показатели светильника или лампы в целом, срок службы и стоимость. Все источники питания (ИП) для светодиодов условно разделяют на преобразователи линейного и импульсного типа. Линейные ИП могут иметь узел стабилизации по току или напряжению. Часто схемы такого типа радиолюбители конструируют своими руками на микросхеме LM317. Такое устройство легко собирается и имеет малую себестоимость. Но, ввиду очень низкого КПД и явного ограничения по мощности подключаемых светодиодов, перспективы развития линейных преобразователей ограничены.

Импульсные драйверы могут иметь КПД более 90% и высокую степень защиты от сетевых помех. Их мощность потребления в десятки раз меньше мощности, отдаваемой в нагрузку. Благодаря этому они могут изготавливаться в герметичном корпусе и не боятся перегрева.

Первые импульсные стабилизаторы имели сложное устройство без защиты от холостого хода. Затем они модернизировались и, в связи с бурным развитием светодиодных технологий, появились специализированные микросхемы с частотной и широтно-импульсной модуляцией.

Схема питания светодиодов на основе конденсаторного делителя

К сожалению, в конструкции дешёвых светодиодных ламп на 220В из Китая не предусмотрен ни линейный, ни импульсный стабилизатор. Мотивируясь исключительно низкой ценой готового изделия, китайская промышленность смогла максимально упростить схему питания. Называть её драйвером не корректно, так как здесь отсутствует какая-либо стабилизация. Из рисунка видно, что электрическая схема лампы рассчитана на работу от сети 220В. Переменное напряжение понижается RC-цепочкой и поступает на диодный мост. Затем выпрямленное напряжение частично сглаживается конденсатором и через токоограничивающий резистор поступает на светодиоды. Данная схема не имеет гальванической развязки, то есть все элементы постоянно находятся под высоким потенциалом.

В результате частые просадки сетевого напряжения приводит к мерцанию светодиодной лампы. И наоборот, завышенное напряжение сети вызывает необратимый процесс старения конденсатора с потерей ёмкости, а, иногда, становится причиной его разрыва. Стоит отметить, что еще одной, серьезной отрицательной стороной данной схемы является ускоренный процесс деградации светодиодов вследствие нестабильного тока питания.

Схема драйвера на CPC9909

Современные импульсные драйверы для светодиодных ламп имеют несложную схему, поэтому ее можно легко смастерить даже своими руками. Сегодня, для построения драйверов, производится ряд интегральных микросхем, специально предназначенных для управления мощными светодиодами. Чтобы упростить задачу любителям электронных схем, разработчики интегральных драйверов для светодиодов в документации приводят типичные схемы включения и расчеты компонентов обвязки.

Общие сведения

Американская компания Ixys наладила выпуск микросхемы CPC9909, предназначенной для управления светодиодными сборками и светодиодами высокой яркости. Драйвер на основе CPC9909 имеет небольшие габариты и не требует больших денежных вложений. ИМС CPC9909 изготавливается в планарном исполнении с 8 выводами (SOIC-8) и имеет встроенный стабилизатор напряжения.

Благодаря наличию стабилизатора рабочий диапазон входного напряжения составляет 12-550В от источника постоянного тока. Минимальное падение напряжения на светодиодах – 10% от напряжения питания. Поэтому CPC9909 идеальна для подключения высоковольтных светодиодов. ИМС прекрасно работает в температурном диапазоне от -55 до +85°C, а значит, пригодна для конструирования светодиодных ламп и светильников для наружного освещения.

Назначение выводов

Стоит отметить, что с помощью CPC9909 можно не только включать и выключать мощный светодиод, но и управлять его свечением. Чтобы узнать обо всех возможностях ИМС, рассмотрим назначение ее выводов.

1. VIN. Предназначен для подачи напряжения питания.
2. CS. Предназначен для подключения внешнего датчика тока (резистора), с помощью которого задаётся максимальный ток светодиода.
3. GND. Общий вывод драйвера.
4. GATE. Выход микросхемы. Подает на затвор силового транзистора модулированный сигнал.
5. PWMD. Низкочастотный диммирующий вход.
6. VDD. Выход для регулирования напряжения питания. В большинстве случаев подключается через конденсатор к общему проводу.
7. LD. Предназначен для задания аналогового диммирования.
8. RT. Предназначен для подключения время задающего резистора.

Схема и ее принцип работы

Типичное включение CPC9909 с питанием от сети 220В показано на рисунке. Схема способна управлять одним или несколькими мощными светодиодами или светодиодами типа High Brightness. Схему можно легко собрать своими руками даже в домашних условиях. Готовый драйвер не нуждается в наладке с учетом грамотного выбора внешних элементов и соблюдением правил их монтажа. Драйвер для светодиодной лампы на 220В на базе CPC9909 работает по методу частотно-импульсной модуляции. Это означает, что время паузы является постоянной величиной (time-off=const). Переменное напряжение выпрямляется диодным мостом и сглаживается емкостным фильтром C1, C2. Затем оно поступает на вход VIN микросхемы и запускает процесс формирования импульсов тока на выходе GATE. Выходной ток микросхемы управляет силовым транзистором Q1. В момент открытого состояния транзистора (время импульса «time-on») ток нагрузки протекает по цепи: «+диодного моста» – LED – L – Q1 – R_S – «-диодного моста». За это время катушка индуктивности накапливает энергию, чтобы отдать её в нагрузку во время паузы. Когда транзистор закрывается, энергия дросселя обеспечивает ток нагрузки в цепи: L – D1 – LED – L. Процесс носит циклический характер, в результате чего ток через светодиод имеет пилообразную форму. Наибольшее и наименьшее значение пилы зависит от индуктивности дросселя и рабочей частоты. Частота импульсов определяется величиной сопротивления RT. Амплитуда импульсов зависит от сопротивления резистора RS. Стабилизация тока светодиода происходит путем сравнения внутреннего опорного напряжения ИМС с падением напряжения на R_S. Предохранитель и терморезистор защищают схему от возможных аварийных режимов.

Расчет внешних элементов

Частотозадающий резистор

Длительность паузы выставляют внешним резистором R_T и определяют по упрощенной формуле:

В свою очередь время паузы связано с коэффициентом заполнения и частотой:

t_паузы=(1-D)/f (с), где D – коэффициент заполнения, который представляет собой отношение времени импульса к периоду.

Рекомендованный производителем диапазон рабочих частот составляет 30-120 кГц. Таким образом, сопротивление R_T можно найти так: R_T=(t_паузы-0,8)*66000, где значение t_паузы подставляют в микросекундах.

Датчик тока

Номинал сопротивления R_S задает амплитудное значение тока через светодиод и рассчитывается по формуле: R_S=U_CS/(I_LED+0.5*I_{L пульс}), где U_CS – калиброванное опорное напряжение, равное 0,25В;

I_LED – ток через светодиод;

I_{L пульс} – величина пульсаций тока нагрузки, которая не должна превышать 30%, то есть 0,3*I_LED.

После преобразования формула примет вид: R_S=0,25/1.15*I_LED (Ом).

Мощность, рассеиваемая датчиком тока, определяется формулой: P_S=R_S*I_LED*D (Вт).

К монтажу принимают резистор с запасом по мощности 1,5-2 раза.

Дроссель

Как известно, ток дросселя не может измениться скачком, нарастая за время импульса и убывая во время паузы. Задача радиолюбителя в том, чтобы подобрать катушку с индуктивностью, обеспечивающей компромисс между качеством выходного сигнала и её габаритами. Для этого вспомним об уровне пульсаций, который не должен превышать 30%. Тогда потребуется индуктивность номиналом:

L=(US_LED*t_паузы)/ I_{L пульс}, где U_LED – падение напряжения на светодиоде (-ах), взятое из графика ВАХ.

Фильтр питания

В цепи питания установлены два конденсатора: С1 – для сглаживания выпрямленного напряжения и С2 – для компенсации частотных помех. Так как CPC9909 работает в широком диапазоне входного напряжения, то в большой ёмкости электролитического С1 нет нужды. Достаточно будет 22 мкФ, но можно и больше. Емкость металлопленочного С2 для схемы такого типа стандартная – 0,1 мкФ. Оба конденсатора должны выдерживать напряжение не менее 400В.

Однако, производитель микросхемы настаивает на монтаже конденсаторов С1 и С2 с малым эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), чтобы избежать негативного влияния высокочастотных помех, возникающих при переключении драйвера.

Выпрямитель

Диодный мост выбирают, исходя из максимального прямого тока и обратного напряжения. Для эксплуатации в сети 220В его обратное напряжение должно быть не менее 600В. Расчетная величина прямого тока напрямую зависит от тока нагрузки и определяется как: I_AC=(π*I_LED)/2√2, А.

Полученное значение необходимо умножить на два для повышения надежности схемы.

Выбор остальных элементов схемы

Конденсатор C3, установленный в цепи питания микросхемы должен быть ёмкостью 0,1 мкФ с низким значением ESR, аналогично C1 и C2. Незадействованные выводы PWMD и LD также через C3 соединяются с общим проводом.

Транзистор Q1 и диод D1 работают в импульсном режиме. Поэтому выбор следует делать с учетом их частотных свойств. Только элементы с малым временем восстановления смогут сдержать негативное влияние переходных процессов в момент переключения на частоте около 100 кГц. Максимальный ток через Q1 и D1 равен амплитудному значению тока светодиода с учетом выбранного коэффициента заполнения: I_Q1=I_D1= D*I_LED, А.

Напряжение, прикладываемое к Q1 и D1, носит импульсный характер, но не более, чем выпрямленное напряжение с учетом емкостного фильтра, то есть 280В. Выбор силовых элементов Q1 и D1 следует производить с запасом, умножая расчетные данные на два.

Предохранитель (fuse) защищает схему от аварийного короткого замыкания и должен длительно выдерживать максимальный ток нагрузки, в том числе импульсные помехи.

Установка терморезистора RTH нужна для ограничения пускового тока драйвера, когда фильтрующий конденсатор разряжен. Своим сопротивлением RTH должен защитить диоды мостового выпрямителя от пробоя в начальные секунды работы.

Другие варианты включения CPC9909

Плавный пуск и аналоговое диммирование

При желании CPC9909 может обеспечить мягкое включение светодиода, когда его яркость будет постепенно нарастать. Плавный пуск реализуется при помощи двух постоянных резисторов, подключенных к выводу LD, как показано на рисунке. Данное решение позволяет продлить срок службы светодиода.

Также вывод LD позволяет реализовывать функцию аналогового диммирования. Для этого резистор 2,2 кОм заменяют переменным резистором 5,1 кОм, тем самым плавно изменяя потенциал на выводе LD.

Импульсное димирование

Управлять свечением светодиода можно путем подачи импульсов прямоугольной формы на вывод PWMD (pulse width modulation dimming). Для этого задействуют микроконтроллер или генератор импульсов с обязательным разделением через оптопару.

Кроме рассмотренного варианта драйвера для светодиодных ламп, существуют аналогичные схемные решения от других производителей: HV9910, HV9961, PT4115, NE555, RCD-24 и пр. Каждая из них имеет свои сильные и слабые места, но в целом, они успешно справляются с возложенной нагрузкой при сборке своими руками.

Источник