Schéma zapojení LED

Použití LED pro osvětlení a zobrazení je spolehlivým a cenově výhodným řešením. LED diody mít velmi vysoká účinnost, spolehlivý, hospodárný, bezpečný, odolný ve srovnání s žárovkami a zářivkami. Tento článek popisuje způsoby, jak zapnout LED diody. Popisuje, jak napájet LED z počítače.

Co je to LED a jak funguje?

LED je především dioda. A stejně jako běžná dioda má LED dvě svorky (silové kontakty): anodu (plus) a katodu (mínus). To je způsobeno skutečností, že LED je polovodič, to znamená, že vede elektrický proud pouze v jednom směru (od anody ke katodě) a nevede jej v opačném směru (od katody k anodě). .

Takže, aby se LED rozsvítila, musíte jí projít elektrický proud ve směru od anody ke katodě. K tomu použijte kladné napětí na anodu a záporné napětí na katodu.

Tady začíná ta nejnepříjemnější část. Ukázalo se, že LED nemůže být připojena ke zdroji napájení přímo, protože to způsobí okamžité spálení LED. Důvod tohoto chování spočívá v následujícím. Řečeno jednoduchým každodenním jazykem, LED je velmi chamtivá a nerozumná osoba: poté, co získala neomezenou energii, začne spotřebovávat takovou energii, že není fyzicky schopna odolat.

Jak jsme již všichni uhodli, pro běžný provoz LED potřebuje přísný omezovač. Za tímto účelem je v sérii s LED instalován odpor, který slouží jako spolehlivý omezovač proudu a výkonu. Tento odpor se nazývá omezovací odpor.

Jaké typy LED existují?

Za prvé, LED diody lze oddělit podle barvy: červená, žlutá, zelená, modrá, fialová, bílá. Většina moderních LED je vyrobena z bezbarvého průhledného plastu, takže je nemožné určit barvu LED bez rozsvícení.

Za druhé, LED diody lze oddělit podle jmenovité spotřeby proudu. Rozšířené jsou modely s proudovým odběrem 10 miliampérů (mA) a 20 mA. Je třeba si uvědomit, že LED není schopna řídit spotřebovaný proud. To je důvod, proč jsme nuceni používat omezovací odpory.

Za třetí, LED diody lze rozdělit podle takových parametrů, jako jsou Pokles napětí v zapnutém stavu při jmenovitém proudu. Navzdory tomu, že se na tento parametr často zapomíná, jeho vliv je velmi, velmi významný. Díky tomuto parametru se někdy můžete zbavit omezovacího odporu.

LED(y) lze připojit k počítači různými způsoby.

Pro připojení LED pro jednoduché osvětlení je vhodné použít napájecí konektory, které poskytují 5 a 12 voltů. Pro připojení LED diod jako lehké hudby je vhodné použít LPT port počítače.

Připojení LED k napájení

Počítačový zdroj je vynikajícím zdrojem energie pro LED nebo řetězec LED, protože produkuje regulované napětí +5 voltů (V) a +12 V.

Konektor má tedy čtyři kontakty, ke kterým jsou vhodné čtyři vodiče: dva z nich jsou černé – to je „nula“, jeden červený vytváří napětí +5 voltů a jeden žlutý vytváří napětí +12 voltů.

Podívejme se na schéma zapojení одного LED.

Podívejme se na schéma zapojení dvouh LED diody.

Podívejme se na schéma zapojení tři и čtyři LED diody.

Univerzální princip výpočtu omezovacího odporu je popsán v článku „Metodika výpočtu napájení LED“.

Nahoře jsou schémata konzistentní rozsvícení LED diod. Existují také způsoby paralelní rozsvícení LED diod. Upozorňujeme, že paralelní zapojení znamená obvod, ve kterém se anody a katody všech LED přímo sbíhají do dvou bodů (dva paprsky).

Taková schémata zpravidla nejsou hospodárná a nebezpečná, a to jak pro napájení, tak pro LED. Kromě toho schémata paralelní inkluze jsou výpočtově složitější a náročné na zdroj energie, proto je použijeme jen ve speciálních případech. Pojďme se podívat, jak toto schéma vypadá.

Doporučuji nikdy nepoužívat tento LED obvod. Pokud však podmínky vyžadují paralelní připojení, doporučuji vám použít následující možnost.

Díky úbytku napětí na těchto diodách již napětí dosahující k LED není 5 Voltů, ale mnohem méně. Omezovací diody jsou voleny tak, aby se napětí dostávalo k LED rovnat se jejich pokles napětí v otevřeném stavu.

Tento obvod používá autor pro nepřetržité LED osvětlení bytu.

Připojení LED k portu LPT

Pozornost! Při připojování LED k napájecímu zdroji 220 V je třeba přísně dodržovat elektrická bezpečnostní opatření.

Obě schémata umožňují postupně zapínat obrovské množství LED diod (až 70 kusů).

Měli byste si být vědomi toho, že připojení LED k zásuvce 220 V zvyšuje riziko úrazu elektrickým proudem.

Univerzální princip pro výpočet omezovacího odporu je popsán v článku „Univerzální metoda pro výpočet napájení LED“.

Článek přináší přehled vlastností LED diod a možnosti výběru napájecích zdrojů k nim. Jsou popsány typické napájecí obvody, jsou uvedeny podrobné informace o vytvoření zpětnovazební smyčky, je zvažován problém regulace jasu LED a jsou uvedeny dva způsoby jeho řešení.

úvod
Jak náklady na výrobu LED klesají, stále více se používají v různých aplikacích, od přenosných zařízení po automobily a osvětlení budov. Díky vysoké spolehlivosti, účinnosti a krátké době odezvy se LED diody staly velmi oblíbenými světelnými zdroji. Stojí za zmínku, že navzdory nízkým nákladům na žárovky je kvůli nutnosti časté výměny nepohodlné a drahé na provoz. Dobrým příkladem jsou lampy v pouličním osvětlení. K výměně spálené žárovky je zapotřebí tým pracovníků a vozidlo s výtahem. Proto jsou zde z hlediska hospodárnosti výhodnější LED světelné zdroje.
Žárovky vyzařují světlo v širokém rozsahu vlnových délek, ale často se používají tam, kde je vyžadováno pouze zelené, červené a žluté světlo, například na semaforech. Filtry používané u žárovek přitom absorbují 60 % světelné energie, zatímco LED zpočátku produkují světlo požadované barvy. LED diody navíc začnou vydávat světlo ihned po připojení napájení, zatímco doba odezvy žárovky je přibližně 200 ms. To je důvod, proč automobilový průmysl používá LED pro brzdová světla. LED se navíc používají jako světelné zdroje pro DLP videoprojektory, kde je mechanická sestava nahrazena řadou LED diod, které se zapínají a vypínají vysokou rychlostí.

Voltampérové ​​charakteristiky LED
Obrázek 1 ukazuje graf napětí v propustném směru pro typickou InGaAlP LED.

Rýže. 1. Voltampérová charakteristika LED (reálná a modelová ve formě rezistoru zapojeného do série se zdrojem napětí)

Pokles napětí v propustném směru na přechodu LED pn má záporný teplotní koeficient –3,0…–5,2 mV/K. To je jeden z důvodů, proč je obtížné zapojit LED diody paralelně. LED, která je nejžhavější, má tendenci spotřebovávat více proudu, což způsobuje, že se ještě více zahřívá.

Rýže. 2. Když je proud větší než 1 A, účinnost LED se zhoršuje.

Obrázek 2 ukazuje relativní světelnou účinnost (světelný tok) jako funkci provozního proudu. Je zřejmé, že světelná účinnost závisí téměř lineárně na proudu diodou a přestává růst až při vyšších hodnotách proudu. To znamená, že při nízkých proudech má zdvojnásobení proudu diody za následek zdvojnásobení světelného výkonu. Toto pravidlo však neplatí při vysokých proudech, kdy 100% nárůst proudu vede ke zvýšení světelného výkonu pouze o 80%. To je důležité, protože LED jsou poháněny spínanými napájecími zdroji, které mohou dodávat významnou pulzující stejnosměrnou složku LED. Ve skutečnosti jsou náklady na napájecí zdroj do určité míry určeny přípustným zvlněním proudu. Čím větší je hodnota pulzující složky, tím nižší jsou náklady na napájecí zdroj. To je ale za cenu sníženého světelného výkonu.
Obrázek 3 ukazuje v kvantitativní formě snížení světelné účinnosti při superponování trojúhelníkových pulzů pulzujícího proudu na konstantní výstupní proud.

Rýže. 3. Pulzující proud mírně zhoršuje světelný výkon LED

Ve většině případů aktuální frekvence pulzování přesahuje 80 Hz a pulzace nejsou okem viditelné. Navíc oko reaguje na světlo exponenciálně a není schopno rozlišit pokles jasu světla o méně než 20 %. I při výrazných pulzacích proudu na LED tedy nedochází k znatelnému poklesu jasu světla.
Pulzující proud nepříznivě ovlivňuje LED zvýšením ztrátového výkonu, což může vést k zahřívání pn přechodu a výrazně snížit životnost LED. Obrázek 4 ukazuje příklad představující relativní světelnou účinnost LED jako funkci času a teploty přechodu.

Rýže. 4. Vysoká teplota pn přechodu snižuje životnost LED

Pokud vezmeme dobu, během níž se světelný výkon sníží o 20%, jako životnost LED, pak například při 63 ° C je zdroj 25 tisíc hodin a při 74 ° C – pouze 10 tisíc hodin (tj. sníží se 2,5krát).
Obrázek 5 ukazuje v kvantitativní podobě závislost výkonu rozptýleného LED na hodnotě pulzující složky stejnosměrného proudu. Protože frekvence pulsací je vysoká ve srovnání s tepelnou časovou konstantou LED, velká hodnota složky pulsujícího proudu (a velká špičková hodnota rozptylu) neovlivňuje maximální teplotu přechodu. Tato teplota je určena průměrným výkonem. Tvar pulsací neovlivňuje výkon rozptýlený ve „zdroji EMF“ v modelu LED. Existuje však také odporová složka vůči poklesu napětí a výkon je určen tímto odporem vynásobeným efektivní hodnotou proudu.
Obrázek 5 navíc ukazuje, že ani proud s velkou pulzující složkou nemá významný vliv na velikost rozptýleného výkonu.

Rýže. 5. Pulzující proud zvyšuje ztrátový výkon v LED

Například proud s 50% pulzující složkou zvyšuje ztráty výkonu maximálně o 5%. Při výrazném překročení této úrovně je pro zajištění přijatelné teploty pn-přechodu a tím prodloužení životnosti zařízení nutné snížit podíl součástky s konstantním proudem. Obecně platí, že životnost polovodiče se zdvojnásobí na každých 10 °C snížení teploty přechodu. Je však třeba vzít v úvahu, že ve většině návrhů obvodů je nutné z konstrukčních důvodů omezit pulzní proud v tlumivce. Většina tlumivek je hodnocena pro poměr Ipeak/Iout. na úrovni nepřesahující 20 %.

Typické aplikace
V mnoha případech se řízení proudu LED provádí pomocí předřadných odporů nebo lineárních regulátorů. V tomto článku se však zaměříme na spínání regulátorů. Existují tři topologie, které jsou široce používány v řízení spotřeby LED: step-down, step-up a kombinace. Volba topologie závisí na poměru vstupního a výstupního napětí.
Pokud je výstupní napětí vždy menší než vstupní napětí, pak se doporučuje použít redukční regulátor. Typický diagram je znázorněn na obrázku 6.

Rýže. 6. Snižovací převodník pro napájení LED

V tomto obvodu je doba sepnutí hlavního vypínače řízena dobou ustálení průměrného napětí na výstupní tlumivce filtru L1. Když je FET spínač (v čipu TPS5430) rozpojen, dodává vstupní napětí do tlumivky L1 a vytváří v ní proud. Omezovací dioda D2 dodává proud při sepnutém spínači. Tlumivka vyhlazuje tento proud při průchodu LED diodami. Regulace se provádí sledováním proudu LED (úbytek napětí na rezistorech R1, R3) a jeho porovnáním s referenčním napětím generovaným v mikroobvodu. Pokud je proud příliš malý, pracovní cyklus se zvyšuje a průměrné napětí se zvyšuje – a proud se odpovídajícím způsobem zvyšuje. Tento obvod také obsahuje kapacitu pro zlepšení účinnosti, protože úbytek napětí na vypínači, klešťové diodě a snímacím rezistoru je velmi malý.
Pokud výstupní napětí vždy převyšuje vstupní napětí, pak se použije zvyšovací převodník, jak je znázorněno na obrázku 7.

Rýže. 7. Zvyšovací převodník pro napájení LED

Tento obvod má také vestavěný vypínač. Když je klíč otevřený, proud teče přes tlumivku k zemi. Pokud je klíč zavřený, napětí na kolíku 1 mikroobvodu U1 se zvyšuje, dokud se dioda D1 neotevře. Poté tlumivka uvolní uloženou energii do výstupního kondenzátoru C3 a LED pásku. Ve většině obvodů se kondenzátor C3 používá k vyhlazení proudu LED a bez něj bude proud LED přerušovaný. To znamená, že se proud mění z nuly na hodnotu proudu tlumivky, což vede ke zvýšenému zahřívání LED (tedy ke snížení životnosti) a snížení jasu. Stejně jako v předchozím příkladu je proud LED měřen pomocí rezistoru a podle tohoto proudu je řízen pracovní cyklus. Je třeba poznamenat, že step-up topologie má vážnou nevýhodu: nedostatek ochrany proti zkratu, který může vést k příliš velkému proudu přes tlumivku a diodu, selhání obvodu nebo prudký pokles vstupního napětí.
Pokud se vstupní napětí značně liší a může být vyšší i nižší, než je potřeba pro napájení LED, je nutné použít kombinovanou topologii step-down-step-up (viz obr. 8).

Rýže. 8. Step-down-step-up měnič s LED stabilizací proudu

Tento obvod je stejný jako obvod zvýšení v tom, že když je vypínač napájení otevřený, proud přes tlumivku se zvyšuje. Při sepnutí spínače se proud tlumivky přenese na výstupní kondenzátor a LED. Zde ale výstupní napětí není kladné, ale záporné. Je třeba také poznamenat, že tento obvod řeší problém zkratu. Ochrana proti zkratu je zajištěna otevřením hlavního vypínače Q1.
Další zajímavostí tohoto obvodu je, že i v případě záporného výstupního napětí není potřeba posouvat potenciál měřicího obvodu. V tomto provedení je zem řídicího IC připojena k zápornému výstupu, takže napětí na snímacím rezistoru R100 je měřeno přímo. Přestože toto schéma ukazuje pouze jednu LED, je možné zapojit sériový řetězec několika LED. Napětí je omezeno nejvyšším jmenovitým napětím řídicího integrovaného obvodu: součet vstupního a výstupního napětí nemůže tuto hranici překročit.

Odpojení měřicího obvodu
Obrázek 9 ukazuje tři možné konfigurace: jednoduchý filtr pouze s induktorem (a); typický filtr napájecího zdroje (b); stejně jako vylepšený filtrační obvod (c).

Rýže. 9. Možnosti výstupního filtru

Pro zjištění rozdílů v regulačních charakteristikách pro každou z variant byl v P-Spice postaven jednoduchý model. Výkonový spínač a dioda FET byly modelovány jako napěťově řízený zdroj EMF se ziskem 10 a LED byly modelovány jako 3 ohmové odpory v sérii se zdrojem 6 V Mezi LED a zem byl přidán 1 ohmový odpor pro měření proudu. Výsledky simulace jsou uvedeny na obrázku 10.

Rýže. 10. Zesílení a fázové grafy filtrů

Ve variantě (a) odpověď odpovídala systému prvního řádu, který je z definice stabilní. DC zesílení je nastaveno napěťově řízeným EMF zdrojem, dělič je postaven na odporu LED a rezistoru pro měření proudu. Svorky obvodu jsou vyrobeny z tlumivky a rezistoru. Kompenzátor je postaven podle přímého zapojení se zesilovačem druhého typu. Obvod (b) má odezvu druhého řádu díky přidání výstupního kondenzátoru. Tento kondenzátor může být nezbytný, pokud je významné zvlnění proudu LED nepřijatelné, ať už kvůli EMI nebo z jiných důvodů. Stejnosměrné zesílení je stejné jako v předchozím obvodu. Existuje však dvojice složitých pólů na frekvenci určené výstupní tlumivkou a kondenzátorem.
Celkový fázový posun filtru je 180°. To může vést k nestabilitě systému, pokud se nevěnuje pozornost návrhu kompenzačního obvodu. Kompenzační obvod je stejný jako u standardního napěťového zdroje vyžadujícího zesilovač typu 105. Ve srovnání s obvodem (a) to přidává dvě další součástky a výstupní kondenzátor. Ve schématu (c) bylo změněno umístění připojení výstupního kondenzátoru, aby byla zajištěna jednodušší kompenzace obvodu. Pulzující složka napětí LED je stejná jako u obvodu (b), ale pulzující proud induktoru protéká proudovým snímacím odporem RXNUMX. To je třeba vzít v úvahu při výpočtu ztrátového výkonu. Funkce popisující tento obvod má jednu nulu a pár pólů, takže kompenzace tohoto obvodu je téměř stejně jednoduchá jako obvod (a). Stejnosměrné zesílení pro tento obvod je stejné jako pro první dva obvody. Funkce nula se objeví kvůli přítomnosti kondenzátoru a sériového odporu LED. Jsou zde dva póly, z nichž první je definován kondenzátorem a rezistorem pro měření proudu. Druhý pól je určen odporem snímajícím proud a tlumivkou. Teplotní odezva tohoto okruhu je stejná jako u okruhu (a).

Ovládání jasu
Je velmi běžné, že je potřeba upravit jas LED diod, například pro ovládání jasu displeje nebo osvětlení budovy. Toho lze dosáhnout dvěma způsoby. Můžete buď ovládat proud LED nebo rychle zapínat a vypínat. Řízení proudu je nejméně účinná metoda, protože světelný výkon není zcela lineární funkcí proudu. Navíc, když je aktuální hodnota nižší než jmenovitá hodnota, existuje tendence k posunu barvy vyzařování LED. Je třeba si uvědomit, že vnímání jasu lidským okem je exponenciální, takže snížení jasu může vyžadovat významnou procentuální změnu proudu. To má zásadní vliv na návrh obvodu. Kvůli tolerancím obvodu může 3% chyba regulace při plném proudu způsobit chybu 30% nebo více při 10% zatížení.
Přesnější metodou je ovládání jasu pomocí pulzně šířkové modulace (PWM), ačkoli to představuje problém s dobou odezvy zařízení. U světelných zdrojů a displejů musí být frekvence PWM vyšší než 100 Hz, aby lidské oko nezaznamenalo blikání. Doba trvání pulsu 10% šířky je v rozsahu milisekund a vyžaduje šířku pásma zdroje proudu větší než 10 kHz. Tento požadavek lze snadno splnit jednoduchými obvody znázorněnými na obrázcích 9a a 9b.
Obrázek 11 ukazuje stupeň snížení výkonu s PWM pro ovládání jasu.

Rýže. 11. Přepínač Q1 se používá pro PWM proud LED

V tomto příkladu se LED v obvodu jednoduše zapíná a vypíná. Regulační smyčka je tak vždy aktivní a poskytuje extrémně rychlou přechodovou odezvu (viz obr. 12).

Rýže. 12. Metoda PWM poskytuje submikrosekundovou rychlost přepínání LED

Závěr
S tím, jak se používání LED stále více rozšiřuje, vyvstává mnoho problémů se správou napájení. LED diody se stále více používají v automobilovém průmyslu, kde je spolehlivost a bezpečnost velmi důležitá. Elektrická soustava vozidla je z hlediska kvality napájení velmi nepříznivým prostředím. Proto musí být ochrana navržena tak, aby byla zachována provozuschopnost při napěťových rázech větších než 60 V, ke kterým dochází při spínání zátěží.
Použití LED diod pro osvětlení budov také představuje výzvy pro návrh napájecího zdroje, protože tyto světelné zdroje často pracují autonomně, vyžadují korekci účiníku a schopnost řídit proud a jas. Kromě toho se LED diody používají v projekčních a televizních aplikacích, kde mezi úkoly konstruktérů patří poskytování rychlé doby odezvy, přesné řízení proudu a ovládání zapnutí/vypnutí.