Circuiti driver LED ad alta potenza: 12 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

LED ad alta potenza: il futuro dell'illuminazione!

ma… come li usi? Dove li trovi? I LED di potenza da 1 watt e 3 watt sono ora ampiamente disponibili nella gamma da $ 3 a $ 5, quindi ultimamente ho lavorato su un sacco di progetti che li utilizzano. nel processo mi infastidiva il fatto che le uniche opzioni di cui si parla per pilotare i LED sono: (1) un resistore o (2) un aggeggio elettronico molto costoso. ora che i LED costano $ 3, sembra sbagliato pagare $ 20 per il dispositivo per guidarli! Quindi sono tornato al mio libro "Analog Circuits 101" e ho scoperto un paio di circuiti semplici per pilotare i LED di potenza che costano solo $ 1 o $. Questo tutorial ti darà una panoramica di tutti i diversi tipi di circuiti per alimentare i Big LED, dai resistori agli alimentatori di commutazione, con alcuni suggerimenti su tutti loro e, naturalmente, fornirà molti dettagli sul mio nuovo semplice Power Circuiti driver LED e quando / come usarli (e ho altri 3 istruttori finora che usano questi circuiti). Alcune di queste informazioni finiscono per essere piuttosto utili anche per i piccoli LED, ecco le altre mie istruzioni per i LED di alimentazione, controlla quelle per altre note e idee Questo articolo ti è stato offerto da MonkeyLectric e dalla luce per bici Monkey Light.

Passaggio 1: Panoramica / Parti

Esistono diversi metodi comuni per alimentare i LED. Perché tutto questo trambusto? Si riduce a questo: 1) I LED sono molto sensibili alla tensione utilizzata per alimentarli (cioè, la corrente cambia molto con un piccolo cambiamento di tensione) 2) La tensione richiesta cambia leggermente quando il LED viene acceso o aria fredda, e anche a seconda del colore del LED e dei dettagli di produzione. Quindi ci sono diversi modi comuni in cui i LED sono generalmente alimentati e li esaminerò nei seguenti passaggi.

PartiQuesto progetto mostra diversi circuiti per pilotare i LED di potenza. per ciascuno dei circuiti ho annotato al passaggio pertinente le parti necessarie, compresi i numeri di parte che puoi trovare su www.digikey.com. al fine di evitare molti contenuti duplicati, questo progetto discute solo circuiti specifici e i loro pro e contro. per saperne di più sulle tecniche di assemblaggio e per scoprire i codici dei LED e dove puoi ottenerli (e altri argomenti), fai riferimento a uno dei miei altri progetti di LED di potenza.

Passaggio 2: dati sulle prestazioni dei LED di alimentazione - Tabella di riferimento pratica

Di seguito sono riportati alcuni parametri di base dei LED Luxeon che utilizzerai per molti circuiti. Uso le figure di questa tabella in diversi progetti, quindi qui le sto mettendo tutte in un posto a cui posso fare facilmente riferimento. Luxeon 1 e 3 senza corrente (punto di spegnimento): bianco/blu/verde/ ciano: caduta di 2,4 V (= "tensione diretta del LED") rosso/arancione/ambra: caduta di 1,8 V Luxeon-1 con corrente 300 mA: bianco/blu/verde/ciano: caduta di 3,3 V (= "tensione diretta del LED") rosso/arancione /ambra: dropLuxeon-1 da 2,7V con corrente 800mA (sopra le specifiche):tutti i colori: dropLuxeon-3 da 3,8V con corrente 300mA:bianco/blu/verde/ciano: dropred 3,3V/arancione/ambra: dropLuxeon-3 da 2,5V con Corrente 800 mA: bianco/blu/verde/ciano: goccia 3,8 V rosso/arancione/ambra: caduta 3,0 V (nota: i miei test non concordano con la scheda tecnica) Luxeon-3 con corrente 1200 mA: rosso/arancione/ambra: caduta 3,3 V (nota: i miei test non sono d'accordo con la scheda tecnica) I valori tipici per i normali LED "piccoli" con 20 mA sono: rosso/arancione/giallo: 2,0 V verde/ciano/blu/viola/bianco: 3,5 V caduta

Passaggio 3: alimentazione diretta

Perché non collegare la batteria direttamente al LED? Sembra così semplice! Qual è il problema? Posso mai farlo? Il problema è l'affidabilità, la coerenza e la robustezza. Come accennato, la corrente attraverso un LED è molto sensibile a piccoli cambiamenti nella tensione attraverso il LED, e anche alla temperatura ambiente del LED, e anche alle variazioni di fabbricazione del LED. Quindi, quando colleghi semplicemente il tuo LED a una batteria, non hai idea di quanta corrente lo stia attraversando. "ma allora, si è illuminato, no?". ok sicuro. a seconda della batteria, potresti avere troppa corrente (il led diventa molto caldo e si brucia velocemente) o troppo poca (il led è fioco). l'altro problema è che anche se il led è giusto quando lo colleghi per la prima volta, se lo porti in un nuovo ambiente che è più caldo o più freddo, diventerà fioco o troppo luminoso e si brucerà, perché il led è molto caldo sensibile. le variazioni di produzione possono anche causare variabilità. Quindi forse leggi tutto questo e stai pensando: "e allora!". se è così, ara in avanti e collegalo direttamente alla batteria. per alcune applicazioni può essere la strada da percorrere.- Riepilogo: usalo solo per gli hack, non aspettarti che sia affidabile o coerente e aspettati di bruciare alcuni LED lungo la strada.- Un famoso hack che mette questo metodo per un uso straordinariamente buono è il LED Throwie. Note:- se si utilizza una batteria, questo metodo funzionerà meglio utilizzando batterie *piccole*, perché una piccola batteria si comporta come se avesse una resistenza interna. questo è uno dei motivi per cui il LED Throwie funziona così bene.- se vuoi effettivamente farlo con un LED di alimentazione anziché un LED da 3 centesimi, scegli la tensione della batteria in modo che il LED non sia a piena potenza. questa è l'altra ragione per cui il LED Throwie funziona così bene.

Passaggio 4: l'umile resistore

Questo è di gran lunga il metodo più utilizzato per alimentare i LED. Basta collegare un resistore in serie con i tuoi LED. Pro: - questo è il metodo più semplice che funziona in modo affidabile - ha solo una parte - costa pochi centesimi (in realtà, meno di un centesimo in quantità) contro: - non molto efficiente. devi compensare lo spreco di energia con una luminosità LED coerente e affidabile. se sprechi meno energia nel resistore, ottieni prestazioni LED meno costanti.- devi cambiare il resistore per cambiare la luminosità del LED- se cambi l'alimentazione o la tensione della batteria in modo significativo, devi cambiare di nuovo il resistore.

Come farlo: ci sono molte fantastiche pagine web là fuori che spiegano già questo metodo. In genere vuoi capire:- quale valore di resistenza usare- come collegare i tuoi led in serie o in parallelo Ci sono due buoni "Calcolatori LED" che ho trovato che ti permetteranno solo di inserire le specifiche sui tuoi LED e sull'alimentatore, e lo faranno progetta il circuito completo in serie/parallelo e le resistenze per te!https://led.linear1.org/led.wizhttps://metku.net/index.html?sect=view&n=1&path=mods/ledcalc/index_engQuando usi questi web calcolatrici, usa il grafico di riferimento pratico dei dati dei LED di alimentazione per i numeri di corrente e tensione richiesti dalla calcolatrice. eccone alcuni economici di Digikey: "Yageo SQP500JB" sono una serie di resistori da 5 watt.

Passaggio 5: $regolatori delle streghe

I regolatori di commutazione, noti anche come convertitori "DC-to-DC", "buck" o "boost", sono il modo più elegante per alimentare un LED. fanno tutto, ma sono costosi. cos'è che "fanno" esattamente? il regolatore di commutazione può ridurre ("buck") o aumentare ("boost") la tensione di ingresso dell'alimentatore all'esatta tensione necessaria per alimentare i LED. a differenza di un resistore monitora costantemente la corrente del LED e si adatta per mantenerla costante. Fa tutto questo con un'efficienza energetica dell'80-95%, non importa quanto sia lo step-down o il step-up. Pro: - prestazioni LED coerenti per un'ampia gamma di LED e alimentatori - alta efficienza, solitamente 80-90% per convertitori boost e 90-95% per convertitori buck- può alimentare i LED da alimentatori a voltaggio più basso o più alto (step-up o step-down)- alcune unità possono regolare la luminosità dei LED- unità progettate per LED di potenza sono disponibili e facili da usare Contro: - complesso e costoso: in genere circa $ 20 per un'unità confezionata. - crearne uno richiede diverse parti e abilità di ingegneria elettrica.

Un dispositivo pronto all'uso progettato appositamente per i LED di potenza è il Buckpuck di LED Dynamics. Ho usato uno di questi nel mio progetto di lampada frontale a LED e ne sono rimasto abbastanza soddisfatto. questi dispositivi sono disponibili presso la maggior parte dei negozi web di LED.

Passaggio 6: le novità!! Sorgente di corrente costante n. 1

passiamo alle novità! La prima serie di circuiti sono tutte piccole variazioni su una sorgente a corrente costante super-semplice. Pro: - prestazioni LED coerenti con qualsiasi alimentatore e LED - costa circa $ 1 - solo 4 parti semplici da collegare- l'efficienza può essere superiore al 90% (con una corretta selezione di LED e alimentazione) - può gestire MOLTA potenza, 20 Amp o più senza problemi. - "dropout" basso - la tensione di ingresso può essere di appena 0,6 volt superiore alla tensione di uscita.- Intervallo operativo super ampio: tra ingresso 3V e 60V Contro: - deve cambiare un resistore per cambiare la luminosità del LED- se configurato male può sprecare tanta energia quanto il metodo del resistore- devi costruirlo da solo (oh aspetta, dovrebbe essere un 'pro').- il limite di corrente cambia un po' con la temperatura ambiente (potrebbe anche essere un 'pro'). Quindi per riassumere: questo circuito funziona proprio come il regolatore di commutazione step-down, l'unica differenza è che non garantisce il 90% di efficienza. tra i lati positivi, costa solo $ 1.

Prima la versione più semplice: "Sorgente di corrente costante a basso costo n. 1" Questo circuito è presente nel mio semplice progetto di illuminazione a led di potenza. Come funziona? - Q2 (un NFET di potenza) viene utilizzato come resistore variabile. Q2 inizia attivato da R1.- Q1 (un piccolo NPN) viene utilizzato come interruttore di rilevamento della sovracorrente e R3 è il "resistenza di rilevamento" o "resistenza di impostazione" che attiva Q1 quando scorre troppa corrente.- Il il flusso di corrente principale avviene attraverso i LED, attraverso Q2 e attraverso R3. Quando troppa corrente scorre attraverso R3, Q1 inizierà ad accendersi, il che inizierà a spegnere Q2. Lo spegnimento di Q2 riduce la corrente attraverso i LED e R3. Quindi abbiamo creato un "loop di feedback", che monitora continuamente la corrente del LED e la mantiene esattamente al punto impostato in ogni momento. i transistor sono intelligenti, eh!- R1 ha un'alta resistenza, quindi quando Q1 inizia ad accendersi, sovrasta facilmente R1.- Il risultato è che Q2 si comporta come un resistore e la sua resistenza è sempre perfettamente impostata per mantenere la corrente del LED corretta. L'eventuale potenza in eccesso viene bruciata in Q2. Pertanto, per la massima efficienza, vogliamo configurare la nostra stringa di LED in modo che sia vicina alla tensione di alimentazione. Funzionerà bene se non lo facciamo, sprecheremo solo energia. questo è davvero l'unico aspetto negativo di questo circuito rispetto ad un regolatore switching step-down!impostando la corrente!il valore di R3 determina la corrente impostata. Calcoli:- La corrente del LED è approssimativamente uguale a: 0,5 / R3- Potenza R3: la potenza dissipata dalla resistenza è di circa: 0,25/R3. scegli un valore del resistore almeno 2 volte la potenza calcolata in modo che il resistore non si surriscalda. Quindi per una corrente LED di 700 mA: R3 = 0,5 / 0,7 = 0,71 ohm. il resistore standard più vicino è 0,75 ohm. Potenza R3 = 0,25 / 0,71 = 0,35 watt. avremo bisogno di almeno un resistore da 1/2 watt. Parti utilizzate: R1: piccolo (1/4 watt) di circa 100 k-ohm di resistore (come: serie Yageo CFR-25JB) R3: set di corrente grande (1 watt +) resistore. (una buona scelta da 2 watt è: serie Panasonic ERX-2SJR)Q2: grande (pacchetto TO-220) FET a livello logico a canale N (come: Fairchild FQP50N06L)Q1: piccolo (pacchetto TO-92) Transistor NPN (come ad esempio: Fairchild 2N5088BU) Limiti massimi: l'unico vero limite al circuito sorgente di corrente è imposto da NFET Q2. Q2 limita il circuito in due modi: 1) dissipazione di potenza. Q2 agisce come un resistore variabile, abbassando la tensione dall'alimentatore per soddisfare la necessità dei LED. quindi Q2 avrà bisogno di un dissipatore di calore se c'è un'alta corrente del LED o se la tensione della fonte di alimentazione è molto più alta della tensione della stringa del LED. (Potenza Q2 = volt caduti * corrente LED). Q2 può gestire solo 2/3 watt prima di aver bisogno di un qualche tipo di dissipatore di calore. con un grande dissipatore di calore, questo circuito può gestire MOLTA potenza e corrente - probabilmente 50 watt e 20 amp con questo transistor esatto, ma puoi semplicemente mettere più transistor in parallelo per più potenza.2) tensione. il pin "G" su Q2 è valutato solo per 20 V e con questo circuito più semplice che limiterà la tensione di ingresso a 20 V (diciamo 18 V per sicurezza). se usi un NFET diverso, assicurati di controllare il rating "Vgs". Sensibilità termica: il set-point corrente è alquanto sensibile alla temperatura. questo perché Q1 è il trigger e Q1 è termicamente sensibile. il numero di parte che ho specificato sopra è uno dei meno termosensibili NPN che ho trovato. anche così, aspettati forse una riduzione del 30% del setpoint corrente mentre passi da -20C a +100C. questo potrebbe essere un effetto desiderato, potrebbe salvare il tuo Q2 o i LED dal surriscaldamento.

Passaggio 7: modifiche alla sorgente di corrente costante: n. 2 e n. 3

queste lievi modifiche sul circuito n. 1 riguardano la limitazione di tensione del primo circuito. dobbiamo mantenere il gate NFET (pin G) al di sotto di 20V se vogliamo utilizzare una fonte di alimentazione maggiore di 20V. si scopre che vogliamo anche farlo in modo da poter interfacciare questo circuito con un microcontrollore o un computer.

nel circuito n. 2 ho aggiunto R2, mentre nel n. 3 ho sostituito R2 con Z1, un diodo zener. il circuito n. 3 è il migliore, ma ho incluso il n. 2 poiché è un trucco rapido se non hai il giusto valore del diodo zener. vogliamo impostare la tensione del pin G a circa 5 volt - utilizzare un diodo zener da 4,7 o 5,1 volt (come: 1N4732A o 1N4733A) - qualsiasi inferiore e Q2 non sarà in grado di accendersi completamente, più alto e non funzionerà con la maggior parte dei microcontrollori. se la tua tensione di ingresso è inferiore a 10 V, cambia R1 per un resistore da 22 k-ohm, il diodo zener non funziona a meno che non ci siano 10 uA che lo attraversano. dopo questa modifica, il circuito gestirà 60 V con le parti elencate e, se necessario, è possibile trovare facilmente un Q2 a tensione più elevata.

Passaggio 8: un piccolo micro fa la differenza

Ora cosa? connettiti a un microcontrollore, PWM o un computer! ora hai una luce LED ad alta potenza completamente controllata in digitale. i pin di uscita del microcontrollore sono classificati solo per 5,5 V di solito, ecco perché il diodo zener è importante.se il tuo microcontrollore è 3,3 V o meno, devi usare il circuito n. 4 e impostare il pin di uscita del tuo microcontrollore su "collettore aperto" - che consente al micro di abbassare il pin, ma lascia che il resistore R1 lo estragga fino a 5 V che è necessario per accendere completamente Q2. se il tuo micro è 5 V, puoi usare il circuito più semplice n. 5, eliminando Z1 e impostare il pin di uscita del micro come normale modalità pull-up/pull-down - il micro 5V può accendere il Q2 da solo. Ora che hai un PWM o un micro collegato, come si fa un controllo digitale della luce? per cambiare la luminosità della tua luce, lo "PWM": lo accendi e spegni rapidamente (200 Hz è una buona velocità) e cambi il rapporto tra tempo di accensione e tempo di spegnimento. poche righe di codice in un microcontrollore. per farlo usando solo un chip '555', prova questo circuito. per usare quel circuito sbarazzarsi di M1, D3 e R2, e il loro Q1 è il nostro Q2.

Passaggio 9: un altro metodo di attenuazione

ok, quindi forse non vuoi usare un microcontrollore? ecco un'altra semplice modifica sul "circuito n. 1"

il modo più semplice per regolare i LED è cambiare il set-point corrente. quindi cambieremo R3! mostrato di seguito, ho aggiunto R4 e un interruttore in parallelo con R3. quindi con l'interruttore aperto, la corrente è impostata da R3, con l'interruttore chiuso, la corrente è impostata dal nuovo valore di R3 in parallelo con R4 - più corrente. quindi ora abbiamo "alta potenza" e "bassa potenza" - perfette per una torcia. forse ti piacerebbe mettere un quadrante a resistenza variabile per R3? sfortunatamente, non li realizzano con un valore di resistenza così basso, quindi abbiamo bisogno di qualcosa di un po' più complicato per farlo. (vedi circuito #1 per come scegliere i valori dei componenti)

Passaggio 10: il driver analogico regolabile

Questo circuito consente di avere una luminosità regolabile, ma senza l'utilizzo di un microcontrollore. È completamente analogico! costa un po 'di più - circa $ 2 o $ 2,50 in totale - spero che non ti dispiaccia. La differenza principale è che l'NFET viene sostituito con un regolatore di tensione. il regolatore di tensione riduce la tensione di ingresso proprio come ha fatto l'NFET, ma è progettato in modo che la sua tensione di uscita sia impostata dal rapporto tra due resistori (R2 + R4 e R1). Il circuito di limite di corrente funziona allo stesso modo come prima, in questo caso riduce la resistenza su R2, abbassando l'uscita del regolatore di tensione. Questo circuito consente di impostare la tensione sui LED a qualsiasi valore utilizzando un quadrante o uno slider, ma limita anche la corrente del LED come prima quindi non è possibile girare il quadrante oltre il punto di sicurezza. Ho usato questo circuito nel mio progetto di illuminazione per stanze/spot con controllo del colore RGB. Si prega di vedere il progetto sopra per i numeri di parte e la selezione del valore del resistore. questo circuito può funzionare con una tensione di ingresso da 5 V a 28V, e fino a 5 amp di corrente (con un dissipatore di calore sul regolatore)

Passaggio 11: una fonte di corrente *ancora più semplice*

ok, quindi risulta che c'è un modo ancora più semplice per creare una sorgente a corrente costante. il motivo per cui non l'ho messo per primo è che ha almeno un inconveniente significativo.

Questo non utilizza un transistor NFET o NPN, ha solo un singolo regolatore di tensione. Rispetto al precedente "semplice generatore di corrente" che utilizzava due transistor, questo circuito ha: - ancora meno parti. - "dropout" molto più alto di 2,4 V, che ridurrà significativamente l'efficienza quando si alimenta solo 1 LED. se stai alimentando una stringa di 5 LED, forse non è un grosso problema. - nessuna variazione del set-point corrente al variare della temperatura - minore capacità di corrente (5 ampere - ancora sufficiente per molti LED)

come usarlo: il resistore R3 imposta la corrente. la formula è: corrente LED in ampere = 1,25/R3 quindi per una corrente di 550mA, imposta R3 a 2,2 ohm di solito avrai bisogno di un resistore di potenza, potenza R3 in watt = 1,56/R3 questo circuito ha anche lo svantaggio che l'unico il modo per usarlo con un microcontrollore o PWM è accendere e spegnere l'intera cosa con un FET di alimentazione. e l'unico modo per cambiare la luminosità del LED è cambiare R3, quindi fare riferimento allo schema precedente per il "circuito n. 5" che mostra l'aggiunta di un interruttore di bassa/alta potenza. Piedinatura del regolatore: ADJ = pin 1 OUT = pin 2 IN = pin 3 parti: regolatore: LD1585CV o LM1084IT-ADJ condensatore: condensatore da 10u a 100u, 6,3 volt o superiore (come: Panasonic ECA-1VHG470) resistore: un resistore da 2 watt minimo (come: serie ERX-2J di Panasonic) puoi costruirlo praticamente con qualsiasi regolatore di tensione lineare, i due elencati hanno una buona prestazione generale e un buon prezzo. il classico "LM317" è economico, ma il dropout è ancora più alto - 3,5 volt in totale in questa modalità. ora ci sono molti regolatori a montaggio superficiale con dropout ultra bassi per l'uso a bassa corrente, se hai bisogno di alimentare 1 LED da una batteria, vale la pena esaminarli.

Passaggio 12: ahah! C'è un modo ancora più semplice

Mi imbarazza dire che non ho pensato a questo metodo da solo, l'ho imparato quando ho smontato una torcia che aveva un LED ad alta luminosità al suo interno.

-------------- Metti un resistore PTC (noto anche come "fusibile ripristinabile PTC") in serie con il LED. Oh.non diventa più facile di così. -------------- ok. Sebbene semplice, questo metodo presenta alcuni inconvenienti: - La tensione di pilotaggio può essere solo leggermente superiore alla tensione del LED "acceso". Questo perché i fusibili PTC non sono progettati per eliminare molto calore, quindi è necessario mantenere la tensione caduta attraverso il PTC abbastanza bassa. puoi incollare il tuo ptc su una piastra di metallo per aiutare un po'. - Non sarai in grado di pilotare il tuo LED alla massima potenza. I fusibili PTC non hanno una corrente di "intervento" molto precisa. Tipicamente variano di un fattore 2 dal punto di scatto nominale. Quindi, se si dispone di un LED che richiede 500 mA e si ottiene un PTC valutato a 500 mA, si finirà con un valore compreso tra 500 mA e 1000 mA, non sicuro per il LED. L'unica scelta sicura di PTC è un po' sottovalutata. Prendi il PTC da 250 mA, quindi il tuo caso peggiore è 500 mA che il LED può gestire. ----------------- Esempio: per un singolo LED valutato circa 3,4 V e 500 mA. Collegare in serie con un PTC di circa 250 mA. La tensione di pilotaggio dovrebbe essere di circa 4.0V.