Obvody ovládača LED s vysokým výkonom: 12 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:01

Vysokovýkonné LED diódy: budúcnosť osvetlenia!

ale … ako ich používate? kde ich berieš? 1-wattové a 3-wattové výkonové LED diódy sú v súčasnej dobe široko dostupné v rozmedzí 3 až 5 dolárov, takže v poslednej dobe pracujem na množstve projektov, ktoré ich používajú. V tomto procese ma znepokojovalo, že jediné možnosti, o ktorých niekto hovorí pre ovládanie LED diód, sú: (1) odpor alebo (2) skutočne drahý elektronický gizmo. teraz, keď stoja diódy LED 3 doláre, je nesprávne platiť 20 dolárov za zariadenie, ktoré ich bude poháňať! Vrátil som sa teda k svojej knihe „Analog Circuits 101“a zistil som niekoľko jednoduchých obvodov pre diódy LED napájania, ktoré stoja iba 1 alebo 2 doláre. Tento návod vám poskytne podrobný popis všetkých rôznych typov obvodov na napájanie veľkých diód LED, od rezistorov až po prepínanie napájania, so všetkými tipmi na všetky z nich a samozrejme poskytne veľa podrobností o mojom novom jednoduchom napájaní. Obvody ovládačov LED a kedy/ako ich používať (a zatiaľ mám 3 ďalšie inštrukcie, ktoré tieto obvody používajú). Niektoré z týchto informácií skončia byť veľmi užitočné aj pre malé LED diódy. Tu sú moje ďalšie pokyny pre napájacie LED diódy, pozrite sa na ne pre ďalšie poznámky a nápady Tento článok vám prináša spoločnosť MonkeyLectric a svetlo na bicykel Monkey Light.

Krok 1: Prehľad / Diely

Existuje niekoľko bežných spôsobov napájania LED diód. Prečo všetok ten rozruch? Znižuje sa to takto: 1) LED diódy sú veľmi citlivé na napätie používané na ich napájanie (tj. Prúd sa veľmi mení s malou zmenou napätia) 2) Požadované napätie sa trochu zmení, keď je dióda LED vložená do horúceho alebo studený vzduch a tiež v závislosti od farby diódy LED a výrobných detailov. Existuje teda niekoľko bežných spôsobov, ktorými sú diódy LED obvykle napájané, a v nasledujúcich krokoch sa budem zaoberať každým z nich.

Diely Tento projekt ukazuje niekoľko obvodov pre diódy LED pohonu. pre každý z obvodov, ktoré som v príslušnom kroku zaznamenal, potrebné diely vrátane čísiel dielov, ktoré nájdete na www.digikey.com. aby sa predišlo mnohonásobnému obsahu, tento projekt pojednáva iba o konkrétnych obvodoch a ich výhodách a nevýhodách. Ak sa chcete dozvedieť viac o montážnych technikách a zistiť čísla dielov LED a kde ich môžete získať (a ďalšie témy), pozrite sa na jeden z mojich ďalších projektov LED napájania.

Krok 2: Údaje o výkone LED - praktická referenčná tabuľka

Nasleduje niekoľko základných parametrov LED Luxeon, ktoré použijete v mnohých obvodoch. Čísla z tejto tabuľky používam v niekoľkých projektoch, takže ich uvádzam na jednom mieste, na ktoré môžem ľahko odkazovať. Deluxeon 1 a 3 bez prúdu (vypínací bod): biela/modrá/zelená/ azúrová: pokles 2,4 V (= "predné napätie LED") červená/oranžová/jantárová: pokles 1,8 V /jantárová: 2,7 V poklesLuxeon-1 s prúdom 800mA (nad špecifikáciami): všetky farby: 3,8V poklesLuxeon-3 s prúdom 300mA: biely/modrý/zelený/azúrový: 3,3V dropred/oranžový/oranžový: 2,5V poklesLuxeon-3 s 800mA prúd: biely/modrý/zelený/azúrový: 3,8V dropred/oranžový/jantárový: pokles 3,0V (poznámka: moje testy nesúhlasia so špecifikačným listom) Luxeon-3 s prúdom 1200mA: červený/oranžový/jantárový: pokles 3,3V (pozn.: moje testy nesúhlasia so špecifikačným listom) Typické hodnoty pre bežné „malé“LED diódy s 20mA sú: červená/oranžová/žltá: 2,0 V dropgreen/azúrová/modrá/fialová/biela: pokles 3,5 V

Krok 3: Priama energia

Prečo jednoducho nepripojíte batériu priamo k dióde LED? Zdá sa to také jednoduché! Aký je problém? Môžem to niekedy urobiť? Problém je v spoľahlivosti, konzistencii a robustnosti. Ako bolo uvedené, prúd LED je veľmi citlivý na malé zmeny napätia v LED dióde, ako aj na teplotu okolia LED a tiež na výrobné odchýlky LED. Keď teda len zapojíte LED diódu k batérii, nebudete mať predstavu, akým prúdom ňou prechádza. „ale čo, už sa rozsvietilo, nie?“. OK, jasné. v závislosti od batérie môžete mať príliš veľký prúd (LED sa veľmi zahrieva a rýchlo sa vypaľuje) alebo príliš málo (LED je slabá). ďalším problémom je, že aj keď je dióda LED pri prvom pripojení správna, ak ju vezmete do nového prostredia, ktoré je teplejšie alebo chladnejšie, buď stmavne alebo sa príliš rozjasní a zhasne, pretože LED dióda má vysokú teplotu. citlivý. Variabilitu môžu spôsobiť aj výrobné variácie. Takže si to možno všetko prečítate a premýšľate: „tak čo!“. ak je to tak, orte dopredu a pripojte sa priamo k batérii. pre niektoré aplikácie to môže byť cesta.- Zhrnutie: používajte to iba pri hackoch, neočakávajte, že to bude spoľahlivé alebo konzistentné a očakávajte, že po ceste vypálite niektoré diódy LED.- Jeden známy hack, ktorý túto metódu uvádza LED Throwie má mimoriadne dobré využitie. Poznámky:- Ak používate batériu, táto metóda bude fungovať najlepšie pri použití * malých * batérií, pretože malá batéria funguje, ako keby mala v sebe vnútorný odpor. to je jeden z dôvodov, prečo LED Throwie funguje tak dobre.-Ak to skutočne chcete urobiť pomocou napájacej diódy LED a nie 3-centovej diódy LED, zvoľte napätie batérie tak, aby LED dióda nebola na plný výkon. to je ďalší dôvod, prečo LED Throwie funguje tak dobre.

Krok 4: Pokorný odpor

Toto je zďaleka najpoužívanejší spôsob napájania LED diód. Stačí zapojiť odpor do série s vašimi LED diódami. Výhody:- je to najjednoduchšia metóda, ktorá funguje spoľahlivo- má iba jednu časť- náklady na centy (v skutočnosti menej ako cent na množstvo) nevýhody:- nie veľmi efektívne. musíte vynaložiť zbytočný výkon proti konzistentnému a spoľahlivému jasu LED. ak miniete menej energie v odpore, získate menej konzistentný výkon LED.- musíte zmeniť odpor, aby ste zmenili jas LED- ak výrazne zmeníte napájanie alebo napätie batérie, budete musieť znova zmeniť odpor.

Ako na to: Existuje mnoho skvelých webových stránok, ktoré už túto metódu vysvetľujú. Obvykle chcete zistiť:- akú hodnotu rezistora použiť- ako zapojiť LED diódy do série alebo paralelne- Existujú dva dobré „LED kalkulačky“, ktoré som zistil, že vám umožnia jednoducho zadať špecifikácie vašich diód LED a napájania a oni navrhnite pre vás kompletný sériový/paralelný obvod a odpory! https://led.linear1.org/led.wizhttps://metku.net/index.html? sect = view & n = 1 & path = mods/ledcalc/index_engPri použití týchto webových stránok kalkulačky, použite tabuľku Power LED Data Handy Reference pre aktuálne a napäťové čísla, o ktoré vás kalkulačka požiada. ak používate rezistorovú metódu s výkonovými diódami LED, rýchlo budete chcieť získať veľa lacných výkonových odporov! tu sú niektoré lacné z digikey: "Yageo SQP500JB" sú série 5-odporových rezistorov.

Krok 5: $ čarodejnícke regulátory

Spínané regulátory, známe tiež ako prevodníky „DC-to-DC“, „buck“alebo „boost“, sú fantastickým spôsobom napájania diódy LED. robia všetko, ale sú drahé. čo to vlastne "robia"? spínací regulátor môže buď znížiť („buck“) alebo zvýšiť („zosilniť“) vstupné napätie zdroja napájania na presné napätie potrebné na napájanie diód LED. na rozdiel od rezistora neustále monitoruje prúd LED a prispôsobuje sa tak, aby bol konštantný. To všetko robí s 80-95% energetickou účinnosťou, bez ohľadu na to, ako veľmi dochádza k znižovaniu alebo zvyšovaniu. Výhody:-konzistentný výkon LED pre široký rozsah LED a napájania-vysoká účinnosť, zvyčajne 80-90% pre zosilňovače zosilňovača a 90-95% pre konvertory buck-môžu napájať LED diódy z nižšieho alebo vyššieho napätia (zosilnenie alebo zníženie)-niektoré jednotky môžu upravovať jas diód LED-sú k dispozícii a ľahko dostupné jednotky navrhnuté pre napájacie diódy LED použitieCons:- zložité a drahé: zvyčajne asi 20 dolárov za zabalenú jednotku. - výroba vlastného vyžaduje niekoľko dielov a znalosti elektrotechniky.

Jedným z bežných zariadení navrhnutých špeciálne pre napájané diódy je Buckpuck od LED Dynamics. Jeden z nich som použil v projekte svetlometov poháňaných elektrickou energiou a bol som s ním celkom spokojný. tieto zariadenia sú dostupné vo väčšine webových obchodov LED.

Krok 6: Nové veci !! Zdroj konštantného prúdu #1

Poďme sa dostať k novým veciam! Prvá sada obvodov sú všetky malé variácie na super jednoduchý zdroj konštantného prúdu. Výhody:- konzistentný výkon LED s akýmkoľvek zdrojom napájania a LED- náklady na 1 dolár- iba 4 jednoduché súčasti na pripojenie- účinnosť môže byť viac ako 90% (so správnym výberom LED a napájania)- zvládne VEĽA energie, 20 ampérov alebo viac žiadny problém.- nízke „výpadky“- vstupné napätie môže byť až o 0,6 voltu vyššie ako výstupné napätie.- super široký prevádzkový rozsah: medzi vstupmi 3 V a 60 V Nevýhody:- na zmenu jasu diódy LED je potrebné zmeniť odpor- v prípade zlej konfigurácie môže minúť toľko energie ako metóda rezistora- musíte si ho postaviť sami (oh, počkaj, to by malo byť „pro“).- prúdový limit sa trochu mení s teplotou okolia (môže byť aj „pro“). Aby som to zhrnul: tento obvod funguje rovnako dobre ako regulátor spínania s krokom nadol, jediným rozdielom je že nezaručuje 90% účinnosť. plusom je, že stojí iba 1 dolár.

Najjednoduchšia verzia: „Nízko nákladový zdroj konštantného prúdu #1“Tento obvod je uvedený v mojom jednoduchom svetelnom projekte s napájaním. Ako to funguje?- Ako variabilný odpor sa používa Q2 (výkonový NFET). Začiatok Q2 je zapnutý R1.- Q1 (malý NPN) sa používa ako spínač snímania nadprúdu a R3 je „snímací odpor“alebo „nastavený odpor“, ktorý spúšťa Q1, keď tečie príliš veľa prúdu.- hlavný prúd prúdi cez LED diódy, cez Q2 a cez R3. Keď cez R3 pretečie príliš veľa prúdu, začne sa zapínať Q1, ktorý začne vypínať Q2. Vypnutím Q2 sa zníži prúd LED a R3. Vytvorili sme teda „spätnoväzbovú slučku“, ktorá nepretržite monitoruje prúd LED a udržuje ho vždy presne na požadovanej hodnote. tranzistory sú chytré, ha!- R1 má vysoký odpor, takže keď sa Q1 začne zapínať, ľahko premôže R1- Výsledkom je, že Q2 funguje ako odpor a jeho odpor je vždy perfektne nastavený tak, aby bol prúd LED správny. Akýkoľvek prebytočný výkon je spálený v Q2. Preto pre maximálnu účinnosť chceme nakonfigurovať náš reťazec LED tak, aby bol blízko napätia napájania. Bude to fungovať dobre, ak to neurobíme, budeme len plytvať energiou. toto je skutočne jediná nevýhoda tohto obvodu v porovnaní so stupňovitým spínacím regulátorom! nastavenie prúdu! hodnota R3 určuje nastavený prúd. Výpočty:- prúd LED je približne rovný: 0,5 / výkon R3- R3: výkon rozptýlený odporom je približne: 0,25 / R3. zvoľte hodnotu rezistora najmenej dvojnásobok výkonu vypočítaného tak, aby sa rezistor nespálil. takže pre prúd 700mA LED: R3 = 0,5 / 0,7 = 0,71 ohmu. najbližší štandardný odpor je 0,75 ohmov. Výkon R3 = 0,25 / 0,71 = 0,35 wattu. budeme potrebovať najmenej 1/2 wattový menovitý odpor. Použité diely: R1: malý (1/4 wattový) odpor približne 100 kOhm (napríklad: séria Yageo CFR-25JB) R3: veľký (1 watt+) aktuálny súbor odpor. (dobrá 2-wattová voľba je: séria Panasonic ERX-2SJR) Q2: veľký (balík TO-220) FET logickej úrovne N-kanála (napríklad: Fairchild FQP50N06L) Q1: malý (balenie TO-92) NPN tranzistor (napríklad: Fairchild 2N5088BU) Maximálne limity: jediný skutočný limit pre obvod zdroja prúdu ukladá NFET Q2. Q2 obmedzuje obvod dvoma spôsobmi: 1) stratový výkon. Q2 funguje ako variabilný odpor, pričom znižuje napätie z napájacieho zdroja, aby zodpovedal potrebe diód LED. takže Q2 bude potrebovať chladič, ak je vysoký prúd LED alebo ak je napätie zdroja energie oveľa vyššie ako napätie reťazca LED. (Výkon Q2 = pokles napätia * prúd LED). Q2 zvládne iba 2/3 wattov, kým nebudete potrebovať nejaký chladič. s veľkým chladičom tento obvod zvládne VEĽA výkonu a prúdu - pravdepodobne 50 wattov a 20 ampérov s týmto presným tranzistorom, ale pre väčší výkon stačí zapojiť paralelne viacero tranzistorov. 2) napätie. kolík „G“na Q2 je dimenzovaný iba na 20 V as týmto najjednoduchším obvodom, ktorý obmedzí vstupné napätie na 20 V (povedzme, že 18 V je bezpečné). ak používate iný NFET, skontrolujte hodnotenie „Vgs“. teplotná citlivosť: aktuálna požadovaná hodnota je do určitej miery citlivá na teplotu. je to preto, že Q1 je spúšťač a Q1 je tepelne citlivý. časť nuber i špecifikovaná vyššie je jednou z najmenej tepelne citlivých NPN, ktoré som mohol nájsť. napriek tomu očakávajte zníženie aktuálnej žiadanej hodnoty o 30%, keď prejdete z -20 ° C na +100 ° C. to môže byť požadovaný efekt, môže to ušetriť vaše Q2 alebo LED pred prehriatím.

Krok 7: Vylepšenia zdroja konštantného prúdu: č. 2 a č. 3

tieto mierne úpravy v obvode č. 1 riešia obmedzenie napätia v prvom obvode. potrebujeme použiť bránu NFET (pin G) pod 20 V, ak chceme použiť zdroj energie vyšší ako 20 V. Ukazuje sa, že to tiež chceme urobiť, aby sme mohli tento obvod prepojiť s mikrokontrolérom alebo počítačom.

v obvode #2 som pridal R2, zatiaľ čo v #3 som nahradil R2 za Z1, zenerovu diódu. obvod č. 3 je najlepší, ale zaradil som č. 2, pretože je to rýchly hack, ak nemáte správnu hodnotu zenerovej diódy. chceme nastaviť napätie G -pinu na približne 5 voltov - použite zenerovú diódu 4,7 alebo 5,1 voltov (napríklad: 1N4732A alebo 1N4733A) - akékoľvek nižšie a Q2 sa nebude dať úplne zapnúť, vyššie a nebude fungovať s väčšinou mikrokontrolérov. ak je vaše vstupné napätie nižšie ako 10 V, prepnite R1 na odpor 22 kOhm, zenerova dióda nefunguje, pokiaľ cez ňu neprechádza 10uA. po tejto úprave obvod zvládne 60V s uvedenými časťami a v prípade potreby môžete ľahko nájsť Q2 s vyšším napätím.

Krok 8: Malý mikroskop robí rozdiel

Teraz čo? pripojte k mikrokontroléru, PWM alebo počítaču! Teraz máte plne digitálne ovládané vysokovýkonné LED svetlo. Výstupné kolíky mikroovládača sú dimenzované spravidla iba na 5,5 V, a preto je dôležitá zenerova dióda. váš mikrokontrolér je 3,3 V alebo menej, musíte použiť obvod č. 4 a výstupný kolík mikroovládača nastavte na „otvorený kolektor“-čo umožňuje mikrospínaču stiahnuť kolík, ale odpor R1 ho môže potiahnuť až 5 V, ktoré sú potrebné na úplné zapnutie Q2. Ak je váš mikro 5V, potom môžete použiť jednoduchší obvod č. 5, ktorý odstráni Z1, a nastaviť výstupný kolík mikro na normálny režim vyťahovania/sťahovania. - 5V mikro môže samo zapnúť Q2 v pohode. viete, že máte zapojený PWM alebo mikro, ako vytvoríte digitálne ovládanie svetla? ak chcete zmeniť jas svojho svetla, „PWM“ho: rýchlo zapnete a vypnete (200 Hz je dobrá rýchlosť) a zmeníte pomer zapnutia a vypnutia. to je možné vykonať iba niekoľko riadkov kódu v mikroovládači. Ak to chcete urobiť iba pomocou čipu „555“, vyskúšajte tento obvod. Ak chcete použiť tento obvod, zbavte sa M1, D3 a R2 a ich Q1 je náš Q2.

Krok 9: Ďalšia metóda stmievania

ok, takže možno nechcete používať mikrokontrolér? tu je ďalšia jednoduchá úprava „obvodu č. 1“

najjednoduchší spôsob, ako stlmiť LED diódy, je zmeniť aktuálnu požadovanú hodnotu. tak zmeníme R3! zobrazený nižšie, pridal som R4 a prepínač paralelne s R3. takže pri otvorenom spínači je prúd nastavený R3, pri zatvorenom spínači je prúd nastavený novou hodnotou R3 paralelne s R4 - viac prúdu. takže teraz máme „vysoký výkon“a „nízky výkon“- ideálne pre baterku. možno by ste chceli dať číselník s premenlivým odporom pre R3? bohužiaľ ich nerobia v takej nízkej hodnote odporu, takže na to potrebujeme niečo trochu komplikovanejšie. (informácie o výbere hodnôt komponentov nájdete v obvode č. 1)

Krok 10: Analógovo nastaviteľný ovládač

Tento obvod vám umožňuje nastaviť jas, ale bez použitia mikrokontroléra. Je to úplne analógové! stojí to o niečo viac - asi 2 doláre alebo 2,50 dolára celkom - dúfam, že vám to nebude vadiť. Hlavným rozdielom je, že NFET je nahradený regulátorom napätia. regulátor napätia znižuje vstupné napätie podobne ako NFET, ale je navrhnutý tak, aby jeho výstupné napätie bolo určené pomerom medzi dvoma odpormi (R2+R4 a R1). Obvod obmedzujúci prúd funguje rovnako ako predtým, v tomto prípade znižuje odpor cez R2, čím sa znižuje výstup regulátora napätia. Tento obvod vám umožňuje nastaviť napätie na diódach LED na ľubovoľnú hodnotu pomocou číselníka alebo posúvača, ale tiež obmedzuje prúd LED ako predtým nemôžete otočiť voličom za bezpečný bod. Tento obvod som použil v mojom projekte RGB Color Controlled Room/Spot osvetlenie. Pozrite si vyššie uvedený projekt ohľadom čísel dielov a výberu hodnoty odporu. tento obvod môže pracovať so vstupným napätím od 5V až 28 V a prúd až 5 ampérov (s chladičom na regulátore)

Krok 11: * Ešte jednoduchší * aktuálny zdroj

ok, takže sa ukazuje, že existuje ešte jednoduchší spôsob, ako vytvoriť zdroj konštantného prúdu. Dôvod, prečo som to nebral na prvé miesto, je ten, že má tiež aspoň jednu významnú nevýhodu.

Tento nepoužíva tranzistor NFET ani NPN, má iba jeden regulátor napätia. V porovnaní s predchádzajúcim „jednoduchým zdrojom prúdu“používajúcim dva tranzistory má tento obvod: - ešte menej častí. - oveľa vyšší „výpadok“2,4V, čo výrazne zníži účinnosť pri napájaní iba 1 LED. ak napájate sériu 5 diód LED, možno to nie je taký veľký problém. - žiadna zmena aktuálnej žiadanej hodnoty pri zmene teploty - menšia prúdová kapacita (5 ampérov - stále dosť pre veľa diód LED)

ako ho používať: odpor R3 nastavuje prúd. vzorec je: LED prúd v ampéroch = 1,25 / R3, takže pre prúd 550mA, nastavte R3 na 2,2 ohmov, budete zvyčajne potrebovať výkonový odpor, výkon R3 vo wattoch = 1,56 / R3, tento obvod má tiež nevýhodu, že jediný spôsob, ako ho použiť s mikro-ovládačom alebo PWM, je zapnúť a vypnúť celú vec pomocou výkonného FET. a jediný spôsob, ako zmeniť jas LED, je zmena R3, preto si pozrite predchádzajúcu schému pre „obvod č. 5“, ktorý ukazuje pridanie prepínača nízkeho/vysokého výkonu do vývodu regulátora: ADJ = pin 1 OUT = pin 2 IN = kolík 3 časti: regulátor: buď kondenzátor LD1585CV alebo LM1084IT-ADJ: kondenzátor 10u až 100u, 6,3 voltov alebo vyšší (ako napríklad: Panasonic ECA-1VHG470) rezistor: minimálny 2-wattový rezistor (napríklad: séria Panasonic ERX-2J) Môžete to postaviť pomocou takmer akéhokoľvek lineárneho regulátora napätia, dva uvedené majú dobrý všeobecný výkon a cenu. klasický „LM317“je lacný, ale výpadok je ešte vyšší - v tomto režime celkom 3,5 voltov. Teraz je k dispozícii veľa povrchových regulátorov s extrémne nízkymi výpadkami pre použitie pri nízkom prúde. Ak potrebujete z batérie napájať 1 LED diódu, oplatí sa to preskúmať.

Krok 12: Haha! Existuje ešte jednoduchšia cesta

Je mi trápne povedať, že som o tejto metóde sám neuvažoval, dozvedel som sa o nej, keď som rozoberal baterku, ktorá mala v sebe diódu s vysokým jasom.

-------------- Dajte do série s vašou diódou LED odpor PTC (alias "resetovateľná poistka PTC"). Wow.jednoduchšie to už nejde. -------------- ok. Napriek tomu, že je táto metóda jednoduchá, má niekoľko nevýhod: - Vaše napájacie napätie môže byť iba o niečo vyššie ako napätie zapnutej diódy LED. Je to spôsobené tým, že poistky PTC nie sú navrhnuté tak, aby sa zbavili veľkého množstva tepla, takže musíte udržať poklesnuté napätie v PTC pomerne nízke. môžete trochu prilepiť svoj ptc na kovovú platňu. - LED diódu nebudete môcť ovládať na maximálny výkon. Poistky PTC nemajú veľmi presný „vypínací“prúd. Obvykle sa líšia faktorom 2 od menovitého bodu vypnutia. Ak teda máte diódu LED, ktorá potrebuje 500 mA, a získate PTC s hodnotením 500 mA, skončíte s napätím od 500 mA do 1 000 mA - čo nie je pre LED bezpečné. Jediná bezpečná voľba PTC je trochu podhodnotená. Získajte 250mA PTC, potom je váš najhorší prípad 500mA, ktorý LED zvládne. ----------------- Príklad: Pre jednu LED s hodnotami asi 3,4 V a 500 mA. Pripojte do série s PTC s hodnotou asi 250 mA. Napájacie napätie by malo byť približne 4,0 V.