Данная статья призвана немного прояснить принципы использования светодиодов на практике.
Светодиоды обладают многими достоинствами, так то : долговечность, виброустойчивость, экономичность, малые габариты. Эти несомненные плюсы привлекают, но зачастую не реализуются на практике в виду не совсем полного понимания работы этих устройств.
Светодиод-в первую очередь необходимо рассматривать как нелинейный полупроводниковый прибор, а не как обычный аналог лампы накаливания.
Полупроводниковые диоды имеют нелинейную зависимость прямого тока от напряжения на его выводах. До достижения порогового напряжения на его выводах-ток через прибор минимален, диод закрыт.но по достижению порогового напряжения диод открывается, ток резко возрастает.
Для наглядности приведены вольт-амперные характеристики (ВАХ) обычного кремниевого диода и светодиодов 
Эта характеристика даёт понять нам,что светодиод имеет малое дифференциальное сопротивление в диапазоне рабочих токов. Небольшое приращение напряжения приводит к резкому росту тока через прибор. Отличия от ламп накаливания, имеющих чисто активное сопротивление (как следствие-практически прямую ВАХ) ,как говорится –налицо.
Поэтому использование светодиодов напрямую от источника напряжения, без токоограничительных или токостабилизирующих устройств настоятельно не рекомендуется. Не лишним будет упомянуть и зависимость порогового напряжения от температуры, с повышением температуры оно снижается.
На рис1 приведена простейшая схема включения светодиода с ограничением тока через светодиод резистором. Расчёт схемы довольно прост. Зная (справочные данные) номинальный рабочий ток через светодиод и падение напряжения на нём нетрудно рассчитать номинал резистора R1 и его мощность.
R1=(Uвх-Uпад):Iном
Мощность рассеивания резистора=(Uвх-Uпад)*Iном
Где:
Uвх –входное напряжение
Uпад-падение напряжения на светодиоде при номинальном токе
Iном-номинальный рабочий ток светодиода.
Практически выбор резистора выглядит так
- Имеем красный «среднестатистический» светодиод, с падением напряжения ~1.9в, рабочим током 10ма, максимальным-20ма, источник питания-бортовая сеть автомобиля,мотоцикла(12-14.2в). оговоримся-точность расчёта на результат при одиночном включении светодиода фактически не влияет.округлим для простоты расчёта падение напряжения до 2в.
Итак: (12в-~2в):0.01А=1000ом(1Ком), мощность(12в-~2в)*0.01А =0.1вт
Проверяем не выйдет ли за пределы допустимого рабочего тока при максимальном напряжении в бортсети: (14.2в- ~2в):1000=0.0122А(12.2 ма), что много меньше максимально допустимого 20ма. Следовательно выбираем резистор 1к, 0.125вт(или больше)
При необходимости использования нескольких светодиодов в качестве группового излучателя света целесообразно их последовательное включение-сокращается кол-во резисторов, возрастает общий кпд схемы. Прямое параллельное включение нескольких светодиодов с одним резистором нежелательно.
При параллельном соединении токи светодиодов складываются,при последовательном-складывается падение напряжений на светодиоде.
При последовательном включении в изначальную формулу проставляем не падение напряжения одиночного светодиода, а сумму падений на группе последовательно включённых светодиодов.
R1=(Uвх-Uпад*N):Iном где N-количество последовательно включённых светодиодов.
Но тут необходимо небольшое отступление-на практике,как в вышеописанном примере,питающие напряжения редко бывают стабильны, увлекатся большим количеством последовательно включённых светодиодов (для бортсети 12в-это на мой взгляд более 4 шт красных, (с падением ~2в)) нецелесообразно, ибо приведёт к увеличению нижнего диапазона питающих напряжений, большому колебанию тока и соответственно яркости свечения светодиодов.
Пример с бортсетью 12в мы рассмотрели выше,при колебаниях напряжения 12-14.2в ток через светодиод составил 10-12.2ма.
Например взять крайний случай-использование 4-х светодиодов в подобной бортсети ,включенных последовательно с токоограничительным резистором.
Имеем выходные расчётные данные такими: сопротивление резистора 400ом ,ток 10-15.5ма. колебания тока уже составят более 50%,это уже будет визуально довольно заметно
Как вариант-использование вместо токоограничительных резисторов-источника тока.
Намеренно не будем рассматривать стабилизаторы тока на дискретных элементах,ибо выйдем за рамки одной статьи
Современные микросхемы стабилизаторов напряжения (LM317 и её клоны-кр142ен12,ен22,ld1083-ld1085 итд) превосходно справляются с этой задачей.
Использование данной микросхемы (DA1) в таком режиме отображено на рис2.
Резистор R1 задаёт общий ток светодиодов. Расчёт схемы прост.R1=1.25(это напряжение стабилизации мс):I. I-тут общий ток нескольких веток светодиодов.
для запитки одной «ветки» cветодиодов с током 10 ма R1 cоставит 1.25:0.01=125ом.
Двух=62ом,трёх-41 итд.
Хорошо подходит данный стабилизатор для питания «сверхярких» светодиодов с током потребления от 20 ма и выше. Но не лишён и недостатков. Их надо учесть.
Первое, падение напряжение на стабилизаторе такого плана не должно быть меньше 2.5-3-х вольт. Ниже - теряет свои стабилизирующие свойства, ток падает. Неприятно,но не смертельно.
Второе: применяется смешанное соединение светодиодов. Тут есть даже пара подводных камней. Точнее в параллельном включении веток светодиодов. Расчёт ведётся по сумме токов нескольких веток. В случае повреждения одной из ветки последовательно соединенных светодиодов-их ток распределяется на остальные ветви.
Не следует использовать светодиоды в таком включении на максимальном токе (если, естественно, количество веток больше 1 ;) ), использовать надо строго одинаковые светодиоды и желательно из одной партии. естественно количество последовательно соединённых должно также совпадать. Но и тут может быть разница в токах разных ветвей. Разброс параметров, при максимальных токах, приведёт к увеличению сверх расчётного тока через ту ветку, где будет наименьшее суммарное падение напряжения.
Светодиоды, особенно мощные – греются. И как мы знаем - с разогревом уменьшается их пороговое напряжение, что приводит к увеличению тока этой ветви. Выход один - вводить дополнительно последовательно с каждой цепью последовательно включённых светодиодов - резистор, номиналом единицы-десятки Ом (на схеме 2 R2`).
Если таки выходит необходимость использования резисторов с каждой веткой последовательно включённых светодиодов-то выходит использование стабилизатора тока не является необходимым. На схеме №3 DA1-обычный стабилизатор напряжения серий кр142ен5, LM7805-7808 или же регулируемые 317,1083-1085 со своими резисторами задающими вых напряжение. расчёт R1 производится как и по схеме №1, исходя из выходного стабилизированного питания мс.
При использовании микросхемных стабилизаторов напряжения и общем потребляемым током свыше 300ма –микросхемы требуют использования радиатора. Даб не углублятся в эти дебри-воспользуйтесь данными производителя этих микросхем (datasheets), оттуда же подчерпнёте и много другой полезной информации по этим микросхемам. Так то –максимальное напряжение на входе устройства,максимальный ток,рассеиваемая мощность итд.
От себя могу лишь вкратце охарактеризовать и дать рекомендации по использованию схем.
По рис 1 плюсы: начинает работать фактически от напряжения, едва превышающего пороговое светодиода(ов,если последовательно), подходит к использованию на низких напряжениях питания, просто, примитивно.
Минусы… стабилизация тока отсутствует.
По рис 2 плюсы-стабилизация тока, верхние значения входных напряжений могут быть весма большими-37в+сумма падений на светодиодах. Схема может содержать 1 мс и 1 резистор. И это при работе на … скажем 30 светодиодов ;)
По рис 3. стабилизация тока косвенная. Недостатки-использование и мс и резистора на каждую последовательную ветвь светодиодов. На 78й серии стаб имеет большое мин.падение напряжение(до 2.5в),фиксированные вых напряжения. Предпочтительнее 1083 с обвязкой.
В заключении хотелось бы напомнить-светодиоды ,микросхемы боятся статики,неправильного подключения и перегрева. Пайка этих деталей должна быть максимально быстрая,не более 2 сек.
Было бы некорректно обойти вниманием светодиоды с интегрированным резистором,рассчитанные на подключение напрямую к источнику напряжения. Но в виду их малораспространенности ,дороговизны, небольшой яркости-практическое использование под вопросом. Разве что в схемах индикации,где проблематично разместить доп внешний резистор.
Также не лишним будет упомянуть что разработаны и специальные микросхемы-драйвера светодиодов, осуществляющие стабилизацию тока светодиодов. Среди них есть как линейные стабилизаторы(мало отличающиеся по принципу действия от схемы №2), так и импульсные,имеющие повышенный кпд.
Но опять таки–имеют или узкую специализацию или малораспростаненны и дороги.
Для повышения кпд возможно использование неспециализированных распространённых микросхем импульсных стабилизаторов напряжения. Например,таких как MC34063. схему включения можно почерпнуть из технической документации. Использование её в качестве источника тока не документировано, но вполне осуществимо.
Рекомендовал бы её включение, как понижающий стабилизатор, нагруженный на группу светодиодов с общим резистором, с которого берется напряжение обратной связи.
Дополнительно будут полезны для ознакомления пара практических схем.
На рис №4 использование одной матрицы из 12 сверхярких светодиодов в качестве габарита и стоп сигнала.
Примененные светодиоды имели параметр в рабочей точке 30ма падение напряжения в 2.2в
R3=10ом 0.125вт(можно исключить,если светодиоды не «Китай» ;) )
R2=75 ом 1-2вт
R1=270 ом 1вт
VD1-обычный кремниевый диод с максимальным током 1и более ампер(1n4001-1n4007 итд)
На рис №5 приведена схема замены лампы накаливания в цепи контроля генератора светодиодом. R1 подбор в пределах 1-4.7кОм. зависит от расположения светодиода,от его типа. Дабы и «считывание» летним днём обеспечить и ночью не ослепнуть.
Источник: http://oppozit.ru/article1576.html |
