Интенсивное развитие светодиодных технологий за последние пять лет привело к их внедрению во все сферы деятельности, которые нуждаются в подсветке. Надёжность и экономичность – вот главное преимущество, которое стало неоспоримым фактом. А если к этим показателям добавить длительный срок службы и безопасность эксплуатации, то становится понятным, почему привычные источники искусственного света постепенно сдают позиции. Действительно, люминесцентные лампы наносят непоправимый вред экологии, а лампы накаливания весьма прожорливы и недолговечны.
Светодиоды, в свою очередь, бывают самой разнообразной формы и исполнения, ежегодно увеличивая ассортимент. Постараемся выделить их основные типы:
— слаботочные светодиоды в пластиковом корпусе;
— мощные планарные светодиоды в пластиковом корпусе;
— светодиодные индикаторы;
— светодиодные ленты;
— светодиодные сборки.
Кроме этого все они могут отличаться цветовой гаммой и размерами. Каждая вышеперечисленная особенность подчеркивает не только визуальное отличие друг от друга, но и заставляет задуматься о технических характеристиках. Главной задачей для потребителя до сих пор остаётся правильность включения в электрическую сеть. Только правильная «запитка» того или иного типа излучающего диода позволит получить максимальную световую отдачу и многолетний срок службы.
Существует два основных параметра, которые объединяют все типы диодов. Это ток потребления и падение напряжения. Изменение этих параметров большую сторону позволяет изобретателям постоянно удивлять нас новыми сверхмощными экземплярами. Но начнём по порядку, с самых простых диодов в прозрачном корпусе. Чаще всего они встречаются диаметром от трёх до десяти миллиметров, что сильно не влияет на их вольтамперную характеристику. В данном случае гораздо большее влияние оказывает цветовое различие. То есть длина волны излучения напрямую зависит от полупроводникового материала, который, в свою очередь, задаёт падение напряжения на p-n переходе. Ниже приведена таблица, наглядно демонстрирующая обратную зависимость между длиной волны и напряжением на диоде.
Как правило, на упаковке с излучающими диодами производитель указывает величину номинального напряжения, при котором будет достигаться наибольший эффект. Задача потребителя – правильно подобрать токоограничивающий резистор для достижения номинального значения. При этом следует помнить, что диоды нельзя включать в нагрузку без соответствующего сопротивления. Исключение составляют слаботочные источники питания – батарейки-таблетки, которые часто применяют для тестирования в магазинах.
Как видно из рисунка самое простое включение предусматривает наличие источника постоянного тока напряжением +5В и двух элементов цепи: светодиода и резистора. При помощи закона Ома и элементарных математических вычислений можно без труда рассчитать значение сопротивления. Если IVD=20мА, UVD=3В, то получим
R=(5-3)/0.02=100 Ом.
При последовательно-параллельном включении нескольких светодиодов в каждую ветвь нужно включать элементы с одинаковым рабочим током. В противном случае невозможно правильно рассчитать компенсирующий резистор, что скажется на яркости свечения. Для быстрого и точного расчета более сложных электрических цепей применяют законы Кирхгофа. Сложнее ситуация обстоит с полноцветными диодами. Внутри корпуса размещены кристаллы красного, синего и зелёного цвета, которые соединены с выводами. Кроме этих трёх выводов имеется ещё один – общий (анод или катод). Подключение таких образцов требует точных данных о технических характеристиках, так как каждый цвет имеет разное падение напряжения. К примеру, модель MCDL-5013RGB (I=20мА):
Ured = 2.0В;
Ugreen = 3.5В;
Ublue = 3.5В.
В продаже можно встретить мигающие и RGB-диоды с двумя выводами, в корпусе которых уже вмонтирован управляющий чип. К ним подводят обычное 3-хвольтовое питание, а хорошо зарекомендовали они себя в новогодних гирляндах. Каждый производитель бытовой микропроцессорной техники и не только, старается оснащать новые модели светодиодными или жидкокристаллическими индикаторами. Бесспорно, жидкие кристаллы постепенно вытесняют LED-индикацию, но далеко не во всех областях промышленности.
Если по какой-то причине самостоятельно не хочется конструировать источник питания для светодиодов (заново изобретать велосипед), можно применить унифицированный блок, который свободно продаётся в специализированных магазинах.Простые самоделки в виде декоративных подсветок не требуют прецензионного питания, а значит, можно воспользоваться любым импульсным блоком питания (ИБП) на 5, 9 или 12В постоянного напряжения. Чтобы получить на выходе постоянное напряжение нестандартной величины можно самостоятельно доработать принципиальную схему, применив интегральную микросхему-стабилизатор.
Справа на рисунке представлено типовое включение интегрального стабилизатора LM317. Общий вывод выполняет роль регулировочного входа, задавая, таким образом, стабильно малый ток потребления. Подбирая значения резисторов R1 и R2 можно получить на выходе напряжение в пределах 1.25-25В. Наиболее точно застабилизировать Uвых можно путём замены обычного R2 на два последовательно соединённых резистора. Один из них – имеет фиксированное сопротивление, а второй подстроечный с малым отклонением от номинала. LM317 выпускается в разных корпусах, отличаясь максимальными токами нагрузки. Ниже представленная принципиальная схема представляет собой усиленный вариант предыдущей схемы.
Отличие заключается в установке силового транзистора на входе стабилизатора. Такое включение является классическим вариантом и позволяет нарастить ток в нагрузке до 5А. Однако у стабилизаторов напряжения есть несколько недостатков, ограничивающие их применение в питании излучающих диодов. Например, один из диодов вышел из строя «накоротко». Тогда всё напряжение равномерно распределится на оставшиеся элементы, что станет причиной роста тока нагрузки. Вывод один: диоды гаснут в результате цепной реакции. Поэтому, конструируя дорогостоящие светодиодные самоделки, обратите внимание на стабилизаторы тока. Схемотехнически стабилизатор тока не сильно отличается от стабилизатора напряжения, что заметно на рисунке. Главное отличие кроется в управляющем выводе, который заводят непосредственно к нагрузке. По приведенной формуле не сложно рассчитать выходной ток для конкретного светодиода. Количество светодиодов в нагрузке ограничено лишь напряжением питания микросхемы (37В), а величина тока может достигать 1А. Стабилизаторы тока широко применяются для тюнинга автомобиля, где бортовое напряжение может меняться в диапазоне от 11,5 до 14,2В. Скачки обратного напряжения(к которому очень чувствительны все типы LED диодов) исключаются путём установки в цепь обычного диода. Высоковольтные выбросы положительной полярности можно нейтрализовать добавлением супрессора на 24 вольта. Ниже показано готовое схемотехническое решение самого простого стабилизатора. Остаётся добавить пару советов о его эксплуатации.
Во-первых, на больших токах (от 350мА) необходимо позаботиться об теплоотводе. Во-вторых, Uст должно стремиться к 1.3В, чтобы снизить тепловые потери на LM317. Кстати, источники постоянного тока широко применяются в люстрах со светодиодной подсветкой. Имея в доме такой источник освещения, каждый радиолюбитель может своими глазами убедиться простотой и надёжностью такого схемотехнического решения.
Совершенствование источников питания излучающих диодов дало толчок развитию их нового типа – драйверов (LED drivers). Они очень схожи с токовыми стабилизаторами, но более функциональны и надёжны. В основе устройства заложена микросхема с параметрами, максимально подобранными под определённый тип диода. В качестве примера готового практического решения можно привести прожектора и фонари, в центре которых закреплён однокристальный мощный диод. Но чаще всего их используют в качестве подсветки жидкокристаллических дисплеев. Ключевым показателем работы драйвера является его энергетическая эффективность. Стремление достичь наибольших значений в соотношении Лм/Вт доказывает практическую пользу новых разработок в управлении мощными светодиодными лампами. Уже сегодня передовым производителям удалось найти оптимальное решение без ущерба критически важных параметров. Ещё один щепетильный момент – это надёжность. Изначально драйвер считался наиболее слабым звеном в светодиодной системе. Но интенсивное развитие рынка освещения дало толчок поиску потенциальных возможностей по совершенствованию параметров всей системы в целом. В настоящее время драйверы выпускаются как в пластиковом корпусе, так и в виде печатной платы.
На рисунке наглядно показан вариант драйвера открытого типа. Главное их назначение подразумевает стабилизацию тока нагрузки, что необходимо для поддержания постоянной яркости свечения. Все драйверы – это импульсные преобразователи постоянного сигнала повышающего или понижающего типа с КПД более 90%. На практике прекрасно зарекомендовали себя повышающие преобразователи. Классический вариант такого устройства представлен на рисунке ниже. Главным элементом схемы является микросхема МР3204, к выходу которой рекомендуется подключать 3 светодиода.
Внутри микросхемы последовательно взаимодействуют генератор сигнала, ШИМ, модуль обратной связи, датчик тока и выходной усилитель на полевом транзисторе. Из рисунка следует, что при подаче высокого уровня сигнала на четвёртый вывод происходит накопление энергии в сердечнике дросселя L1. При размыкании полевого транзистора начинает заряжаться конденсатор С2 через диод D1. В следующий такт накопленная энергия поступает в нагрузку. Касательно практического применения рекомендуется использовать керамические конденсаторы и дроссель известных производителей. Значение резистора R1 подбирается под конкретный тип светодиодов и может варьироваться в широком диапазоне. Существуют и другие варианты включения МР3204, расширяющие её возможности.
А что, если в качестве источника питания применить унифицированный компьютерный блок питания? Тем более что для этих целей прекрасно подойдёт устройство с любого ПЭВМ, даже десятилетней давности. Одновременно возникает второй вопрос: «Весь ли ассортимент светодиодной продукции можно включать на выход такого БП?» Теоретически, да. Но, как упоминалось выше, практически эффективнее использовать стабилизаторы тока или специализированные драйверы. БП компьютера стабилизирует напряжение, а значит, радиолюбителю придётся самостоятельно подбирать нужный резистор. Исключение составляют ленты, в которых через равные промежутки уже запаяны резисторы. Таким образом, компьютерный блок питания наилучшим образом подходит для подключения к светодиодным лентам. Самостоятельная переделка БП займёт не более одного часа. Вначале нужно избавиться от жгута с проводами и разъёмами, которые больше нам не пригодятся. Эта операция легко реализуется при помощи мощного паяльника. Оставить нужно лишь два провода (+12В и общий вывод) для непосредственного соединения с нагрузкой. В старых блоках их можно запаять на контакты резервного разъёма 220В, предназначенного для подключения монитора. В остальном – индивидуальная фантазия и удобство. Стоит обратить внимание на тип ленты и её длину (количество диодов). Например, 5 метров ленты с кристаллами типа smd5050 двойной плотности потребляет порядка восьми ампер. Промышленные источники с токами нагрузки около 10А стоят очень дорого. Именно этим фактом обосновано практическое применение бывших в употреблении блоков питания ПЭВМ.
Подытоживая вышесказанное, можно отметить, что вопросу выбора подходящего источника питания следует уделять не меньше внимания, чем качеству светодиодов. От того, насколько правильно будет подобрано питание для инновационного освещения, будет зависеть срок службы всего изделия.
