Circuits de controladors LED d'alta potència: 12 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:16

LED d'alta potència: el futur de la il·luminació.

però … com les feu servir? on els traieu? Els LED d’alimentació d’1 i 3 watts estan ara disponibles àmpliament entre 3 i 5 dòlars, de manera que últimament he estat treballant en un munt de projectes que els fan servir. en el procés, em va estar molestant que les úniques opcions de les quals algú parla per conduir els LED són: (1) una resistència o (2) un aparell electrònic molt car. ara que el LED costa 3 dòlars, se sent malament pagar 20 dòlars pel dispositiu que els condueixi. Així que vaig tornar al meu llibre "Circuits analògics 101" i vaig descobrir un parell de circuits senzills per accionar LEDs de potència que només costaven 1 o 2 dòlars. Aquest instructiu us proporcionarà un cop a cop de tots els diferents tipus de circuits per alimentar Big LED's, des de resistències fins a subministraments de commutació, amb alguns consells sobre tots ells, i, per descomptat, donarà molts detalls sobre el meu nou senzill Power Circuits de controladors LED i quan / com utilitzar-los (i fins ara tinc altres 3 instruccions que fan servir aquests circuits). Alguna d’aquesta informació acaba sent molt útil per a LEDs petits: aquí teniu altres instruccions LED de potència, consulteu-les per obtenir altres notes i idees.

Pas 1: Visió general / Parts

Hi ha diversos mètodes habituals per alimentar els LED. Per què tot enrenou? Es resumeix en això: 1) Els LED són molt sensibles a la tensió que s’utilitza per alimentar-los (és a dir, el corrent canvia molt amb un petit canvi de tensió) 2) La tensió necessària canvia una mica quan el LED s’està calent o aire fred, i també en funció del color del LED i dels detalls de fabricació. Així doncs, hi ha diverses maneres habituals en què els LED solen alimentar-se i revisaré cadascun en els passos següents.

Parts Aquest projecte mostra diversos circuits per accionar LEDs de potència. per a cadascun dels circuits que he assenyalat en el pas corresponent, les parts necessàries, inclosos els números de peça que podeu trobar a www.digikey.com. per tal d'evitar molt el contingut duplicat, aquest projecte només discuteix circuits específics i els seus pros i contres. per obtenir més informació sobre les tècniques de muntatge i per esbrinar els números de peça del LED i on podeu obtenir-los (i altres temes), consulteu un dels meus altres projectes de LED de potència.

Pas 2: dades de rendiment del LED d'alimentació: gràfic de referència útil

A continuació es mostren alguns paràmetres bàsics dels LED Luxeon que utilitzarà per a molts circuits. Utilitzo les xifres d’aquesta taula en diversos projectes, de manera que aquí les poso totes en un lloc que puc fer referència fàcilment. Luxe 1 i 3 sense corrent (punt d’activació): blanc / blau / verd / cian: caiguda de 2,4 V (= "voltatge frontal LED") vermell / taronja / ambre: caiguda 1,8 V Luxe-1 amb corrent de 300 mA: blanc / blau / verd / cian: caiguda de 3,3 V (= "voltatge frontal LED") vermell / taronja / ambre: 2.7V dropLuxeon-1 amb 800mA de corrent (més de les especificacions): tots els colors: 3.8V dropLuxeon-3 amb 300mA actual: blanc / blau / verd / cian: 3.3V dropred / taronja / ambre: 2.5V dropLuxeon-3 amb Corrent de 800 mA: blanc / blau / verd / cian: 3,8 V caiguda / taronja / ambre: caiguda de 3,0 V (nota: les meves proves no estan d’acord amb el full d’especificacions) Luxeon-3 amb corrent de 1200 mA: vermell / taronja / ambre: caiguda de 3,3 V (nota: les meves proves no estan d'acord amb el full d'especificacions) Els valors típics dels LED "petits" normals de 20 mA són: vermell / taronja / groc: 2,0 V verd / verd / cian / blau / porpra / blanc: 3,5 V

Pas 3: alimentació directa

Per què no connecteu la bateria directament al LED? Sembla tan senzill! Quin és el problema? El problema és la fiabilitat, la consistència i la robustesa. Com s’ha esmentat, el corrent a través d’un LED és molt sensible als petits canvis en el voltatge del LED, també a la temperatura ambiental del LED i també a les variacions de fabricació del LED. Així, quan acabeu de connectar el LED a una bateria, teniu poca idea de la quantitat de corrent que hi passa. "però i què, es va il·luminar, no?". D'acord, segur. depenent de la bateria, és possible que tingueu massa corrent (el LED s'escalfa molt i es crema ràpidament) o massa poc (el led és feble). l’altre problema és que, fins i tot si el led és correcte quan el connecteu per primera vegada, si el porteu a un entorn nou que sigui més calent o fred, quedarà tenue o massa brillant i es cremarà, perquè el led és molt temperatura sensible. les variacions de fabricació també poden causar variabilitat. Per tant, potser llegiu tot això i esteu pensant: "i què?". si és així, llaureu endavant i connecteu-vos directament a la bateria. per a algunes aplicacions, pot ser el camí a seguir. Resum: utilitzeu-lo només per a pirates informàtics, no espereu que sigui fiable ni coherent i espereu que es cremin alguns LED al llarg del camí. Un famós pirata que posa aquest mètode El LED Throwie té un bon ús excepcional. Notes: - si utilitzeu una bateria, aquest mètode funcionarà millor amb bateries * petites *, perquè una bateria petita funciona com si tingués una resistència interna. aquest és un dels motius pels quals el LED Throwie funciona tan bé. Si realment voleu fer-ho amb un LED d’alimentació en lloc d’un LED de 3 cèntims, trieu la tensió de la bateria perquè el LED no estigui a plena potència. aquest és l'altre motiu pel qual el LED Throwie funciona tan bé.

Pas 4: la resistència humil

Aquest és, amb diferència, el mètode més utilitzat per alimentar els LED. Només cal que connecteu una resistència en sèrie amb els vostres LEDs. Pro: - Aquest és el mètode més senzill que funciona de manera fiable; només té una part. heu de compensar el poder malgastat contra una brillantor LED consistent i fiable. si malgasteu menys energia a la resistència, obtindreu un rendiment LED menys consistent. Heu de canviar la resistència per canviar la brillantor del LED. Si canvieu la font d'alimentació o el voltatge de la bateria de manera significativa, heu de canviar la resistència de nou.

Com fer-ho: hi ha moltes pàgines web fantàstiques que ja expliquen aquest mètode. Normalment voleu esbrinar: - quin valor de resistència heu d'utilitzar - com connectar els leds en sèrie o en paral·lel Hi ha dues bones "calculadores LED" que he trobat que us permetran introduir les especificacions del LED i de la font d'alimentació, i dissenyeu el circuit i les resistències paral·leles i sèries completes per a vosaltres. https://led.linear1.org/led.wizhttps://metku.net/index.html? sect = view & n = 1 & path = mods / ledcalc / index_eng calculadores, utilitzeu el gràfic de referència de dades de Power LED per als números de corrent i voltatge que us demana la calculadora. Si utilitzeu el mètode de resistència amb LED d’alimentació, voldreu obtenir ràpidament moltes resistències de potència barates. aquí hi ha alguns barats de digikey: "Yageo SQP500JB" són una sèrie de resistències de 5 watts.

Pas 5: $ reguladors de bruixes

Els reguladors de commutació, també coneguts com a convertidors de "CC a CC", "buck" o "boost", són la manera més fantàstica d'alimentar un LED. ho fan tot, però són cars. què fan "exactament"? el regulador de commutació pot reduir ("dòlar") o augmentar ("augmentar") la tensió d'entrada de la font d'alimentació a la tensió exacta necessària per alimentar els LED. a diferència d’una resistència, controla constantment el corrent LED i s’adapta per mantenir-lo constant. Tot això amb un 80-95% d’eficiència energètica, independentment de la reducció o augment de la seva intensitat. per als convertidors boost i el 90-95% per als convertidors Buck: pot alimentar els LEDs tant de subministraments de tensió més baixes com superiors (increment o descens) - algunes unitats poden ajustar la brillantor del LED. a useCons: - complex i car: normalment aproximadament 20 dòlars per una unitat empaquetada. - Per fer el vostre propi, calen diverses peces i habilitats en enginyeria elèctrica.

Un dispositiu a la venda dissenyat especialment per a leds d’energia és el Buckpuck de LED Dynamics. He utilitzat un d’aquests en el meu projecte de fars dirigits per alimentació i n’he quedat molt content. aquests dispositius estan disponibles a la majoria de botigues web LED.

Pas 6: les coses noves !! Font de corrent constant núm. 1

anem a conèixer les novetats! El primer conjunt de circuits són petites variacions en una font de corrent constant súper simple. Pros: - rendiment LED constant amb qualsevol font d'alimentació i LED - costa aproximadament 1 dòlar - només 4 parts senzilles per connectar - l'eficiència pot superar el 90% (amb una selecció adequada del LED i de la font d'alimentació): pot gestionar MOLTA potència, 20 amperes o més, sense cap problema..- rang d’operació superampli: entre 3V i 60V d’entrada Cons: - ha de canviar una resistència per canviar la brillantor del LED - si està mal configurat pot malgastar tanta energia com el mètode de la resistència. ser un "pro").- El límit de corrent canvia una mica amb la temperatura ambient (també pot ser un "pro"). Per resumir-ho: aquest circuit funciona igual que el regulador de commutació de baixada, l'única diferència és que no garanteix un 90% d’eficiència. a la part positiva, només costa 1 dòlar.

La versió més senzilla primer: "Font de corrent constant de baix cost # 1" Aquest circuit apareix en el meu senzill projecte de llum dirigida per energia. Com funciona? - Q2 (un NFET de potència) s'utilitza com a resistència variable. Q2 comença activat per R1.- Q1 (un NPN petit) s’utilitza com a commutador de detecció de sobrecorrent i R3 és la "resistència de sentit" o "resistència configurada" que activa Q1 quan flueix massa corrent. el flux de corrent principal és a través dels LED, a través de Q2 i a través de R3. Quan flueix massa corrent per R3, començarà a activar-se Q1, que comença a apagar Q2. Si desactiveu Q2, es redueix el corrent a través dels LED i R3. Per tant, hem creat un "bucle de retroalimentació", que controla contínuament el corrent del LED i el manté exactament al punt establert en tot moment. els transistors són intel·ligents, eh! Qualsevol excés de potència es crema a la Q2. Per tant, per a la màxima eficiència, volem configurar la nostra cadena de LEDs perquè estigui a prop de la tensió d'alimentació. Si no ho fem, funcionarà bé, simplement malgastarem energia. aquest és realment l’únic inconvenient d’aquest circuit en comparació amb un regulador de commutació reduït! ajustant el corrent! el valor de R3 determina el corrent establert. Càlculs: - El corrent LED és aproximadament igual a: 0,5 / R3- Potència R3: la potència dissipat per la resistència és aproximadament: 0,25 / R3. trieu un valor de resistència com a mínim 2x la potència calculada perquè la resistència no es cremi. la resistència estàndard més propera és de 0,75 ohms. Potència R3 = 0,25 / 0,71 = 0,35 watts. Necessitarem com a mínim una resistència nominal de 1/2 watt. Parts utilitzades: R1: resistència petita (1/4 watt) aproximadament de 100 k-ohm (com ara: sèrie Yageo CFR-25JB) R3: joc de corrent gran (1 watt +) resistència. (una bona opció de 2 watts és: sèrie Panasonic ERX-2SJR) Q2: gran (paquet TO-220) FET de nivell lògic de canal N (com ara: Fairchild FQP50N06L) Q1: petit (paquet TO-92) Transistor NPN (com ara: Fairchild 2N5088BU) Límits màxims: l’únic límit real del circuit font actual l’imposa NFET Q2. Q2 limita el circuit de dues maneres: 1) dissipació de potència. Q2 actua com una resistència variable, reduint el voltatge de la font d'alimentació per satisfer la necessitat dels LED. per tant, Q2 necessitarà un dissipador de calor si hi ha un corrent LED elevat o si el voltatge de la font d’energia és molt superior al voltatge de la corda LED. (Potència Q2 = caiguda de volts * corrent LED). Q2 només pot suportar 2/3 watts abans que necessiteu algun tipus de dissipador de calor. amb un gran dissipador de calor, aquest circuit pot gestionar MOLTA potència i corrent, probablement 50 watts i 20 amperes amb aquest transistor exacte, però només podeu posar diversos transistors en paral·lel per obtenir més potència. el pin "G" de Q2 només està classificat per a 20V, i amb aquest circuit més senzill que limitarà la tensió d'entrada a 20V (diguem que 18V són segurs). si utilitzeu un NFET diferent, assegureu-vos de comprovar la sensibilitat tèrmica de la classificació "Vgs": el punt de configuració actual és una mica sensible a la temperatura. això es deu al fet que Q1 és el disparador i Q1 és tèrmicament sensible. la part nuber que he especificat anteriorment és una de les NPN menys sensibles tèrmicament que he pogut trobar. tot i així, espereu potser una reducció del 30% del punt de configuració actual en passar de -20 ° C a + 100 ° C. que pot ser un efecte desitjat, pot estalviar-se el Q2 o els LED del sobreescalfament.

Pas 7: ajustaments de la font de corrent constant: # 2 i # 3

aquestes lleugeres modificacions al circuit # 1 fan referència a la limitació de tensió del primer circuit. hem de mantenir la porta NFET (pin G) per sota de 20V si volem utilitzar una font d’alimentació superior a 20V. resulta que també volem fer-ho per poder connectar aquest circuit amb un microcontrolador o un ordinador.

al circuit número 2, he afegit R2, mentre que al número 3 he substituït R2 per Z1, un díode zener. el circuit # 3 és el millor, però he inclòs el número 2, ja que és un hack ràpid si no teniu el valor correcte de díode zener. volem establir el voltatge del pin G a uns 5 volts: utilitzeu un díode zener de 4,7 o 5,1 volts (com ara: 1N4732A o 1N4733A): qualsevol inferior i Q2 no es podrà encendre completament, més alt i no funcionarà amb la majoria de microcontroladors. si el voltatge d'entrada és inferior a 10 V, canvieu R1 per a una resistència de 22 k-ohm, el díode zener no funciona tret que hi passin 10 uA. després d’aquesta modificació, el circuit manejarà 60V amb les parts que apareixen a la llista i, si cal, podeu trobar fàcilment un Q2 de major voltatge.

Pas 8: Una mica de micro marca totes les diferències

Ara que? connecteu-vos a un microcontrolador, un PWM o un ordinador. Ara teniu una llum LED d'alta potència totalment controlada digitalment. Els pins de sortida del microcontrolador només tenen una potència nominal de 5,5 V, per això és important el díode zener. el vostre microcontrolador té 3,3 V o menys, heu d’utilitzar el circuit núm. 4 i configurar el pin de sortida del vostre microcontrolador com a “col·lector obert”, cosa que permet que el micro estiri el pin cap avall, però permet que la resistència R1 l’estiri fins a 5 V que calen per encendre completament Q2. Si el vostre micro és de 5 V, podeu utilitzar el circuit més senzill # 5, eliminant Z1, i configurar el pin de sortida del micro com a mode normal de desplegament / desplegament - el micro de 5V pot activar Q2 bé per si mateix. Ara que teniu un PWM o micro connectat, com podeu fer un control de llum digital? per canviar la brillantor de la vostra llum, la feu "PWM": la parpelleu encesa i apagada ràpidament (200 Hz és una bona velocitat) i canvieu la relació entre temps d’interrupció i temps d’aturada. Això es pot fer només amb poques línies de codi en un microcontrolador. per fer-ho amb només un xip '555', proveu aquest circuit. per utilitzar aquest circuit, elimineu M1, D3 i R2, i el seu Q1 és el nostre Q2.

Pas 9: un altre mètode de regulació

D'acord, doncs potser no voleu utilitzar un microcontrolador? aquí hi ha una altra modificació senzilla al "circuit # 1"

la forma més senzilla d’enfosquir els LED és canviar el punt de consigna actual. així que canviarem R3! que es mostra a continuació, he afegit R4 i un commutador a en paral·lel amb R3. de manera que amb l’interruptor obert, el corrent s’estableix amb R3, amb l’interruptor tancat, el corrent s’estableix amb el nou valor de R3 en paral·lel amb R4: més corrent. de manera que ara tenim "alta potència" i "baixa potència", perfectes per a una llanterna. potser voldríeu posar un dial de resistència variable per a R3? per desgràcia, no les fan amb un valor de resistència tan baix, de manera que necessitem alguna cosa una mica més complicat per fer-ho. (vegeu el circuit # 1 per saber com triar els valors dels components)

Pas 10: el controlador ajustable analògic

Aquest circuit us permet tenir una brillantor ajustable, però sense utilitzar un microcontrolador. És totalment analògic! costa una mica més (aproximadament 2 $ o 2,50 $ en total), espero que no us importi. La principal diferència és que el NFET se substitueix per un regulador de voltatge. el regulador de tensió redueix la tensió d’entrada de la mateixa manera que ho feia el NFET, però està dissenyat de manera que la seva tensió de sortida s’estableixi segons la relació entre dues resistències (R2 + R4 i R1). El circuit de límit de corrent funciona de la mateixa manera. com abans, en aquest cas redueix la resistència a través de R2, reduint la sortida del regulador de tensió. Aquest circuit us permet ajustar la tensió dels LED a qualsevol valor mitjançant un dial o un control lliscant, però també limita el corrent del LED com abans. no es pot girar el dial més enllà del punt de seguretat. He utilitzat aquest circuit al meu projecte d’il·luminació de sala controlada per color / RGB. Si us plau, consulteu el projecte anterior per obtenir números de peça i selecció de valor de resistència. Aquest circuit pot funcionar amb una tensió d’entrada de 5V a 28V i fins a 5 amperis de corrent (amb un dissipador de calor al regulador)

Pas 11: una font actual * fins i tot més senzilla

d'acord, així que resulta que hi ha una manera encara més senzilla de fer una font de corrent constant. el motiu pel qual no ho vaig posar en primer lloc és que també té almenys un inconvenient important.

Aquest no utilitza un transistor NFET o NPN, només té un sol regulador de voltatge. En comparació amb l'anterior "font de corrent simple" anterior que utilitzava dos transistors, aquest circuit té: - encara menys parts. - "Abandonament" molt superior de 2,4 V, que reduirà significativament l'eficiència en alimentar només 1 LED. si alimenteu una cadena de 5 LED, potser no sigui tan gran cosa. - No hi ha canvis en el punt de consigna actual quan canvia la temperatura; menys capacitat de corrent (5 amperes, encara suficient per a molts LED)

com utilitzar-lo: la resistència R3 estableix el corrent. la fórmula és: corrent LED en amplificadors = 1,25 / R3, per tant, per a un corrent de 550 mA, ajusteu R3 a 2,2 ohms normalment necessiteu una resistència de potència, la potència R3 en watts = 1,56 / R3, aquest circuit també té l’inconvenient que l’únic La forma d’utilitzar-lo amb un microcontrolador o PWM consisteix a activar i desactivar la totalitat de la cosa amb un FET d’alimentació. i l'única manera de canviar la brillantor del LED és canviar R3, així que consulteu l'esquema anterior del "circuit # 5" que mostra com afegir un interruptor de potència baixa / alta. Pinout del regulador: ADJ = pin 1 OUT = pin 2 IN = pin 3 parts: regulador: condensador LD1585CV o LM1084IT-ADJ: condensador de 10u a 100u, 6,3 volts o superior (com ara: Panasonic ECA-1VHG470) resistència: una resistència mínima de 2 watts (com ara: sèrie Panasonic ERX-2J) Podeu construir-lo amb gairebé qualsevol regulador de tensió lineal, els dos llistats tenen un bon rendiment i preu generals. el clàssic "LM317" és barat, però l'abandonament és encara més elevat: 3,5 volts en total en aquest mode. ara hi ha molts reguladors de muntatge superficial amb descensos ultra baixos per a un ús de corrent baix, si cal alimentar 1 LED d'una bateria, pot valer la pena examinar-los.

Pas 12: Haha! Hi ha un camí encara més fàcil

Em fa vergonya dir que no he pensat en aquest mètode jo mateix, que ho vaig saber quan vaig desmuntar una llanterna que tenia un LED d’alta brillantor al seu interior.

-------------- Col·loqueu una resistència PTC (també coneguda com a "fusible resetable PTC") en sèrie amb el vostre LED. vaja.no és més fàcil que això. -------------- D'acord. Tot i que és senzill, aquest mètode té alguns inconvenients: - La vostra tensió de conducció només pot ser lleugerament superior al voltatge "encès" del LED. Això es deu al fet que els fusibles PTC no estan dissenyats per desfer-se de molta calor, de manera que cal mantenir la tensió caiguda a través del PTC bastant baixa. Podeu enganxar el vostre ptc a una placa metàl·lica per ajudar una mica. - No podreu conduir el vostre LED a la seva màxima potència. Els fusibles PTC no tenen un corrent de "tret" molt precís. Normalment varien en un factor 2 respecte al punt de viatge classificat. Per tant, si teniu un LED que necessita 500 mA i obteniu un PTC de 500 mA, acabareu amb 500 mA a 1000 mA, cosa que no és segura per al LED. L'única opció segura de PTC és una mica infravalorada. Obteniu el PTC de 250 mA, el pitjor dels casos és de 500 mA que el LED pot gestionar. ----------------- Exemple: per a un sol LED de 3,4 V i 500 mA. Connecteu en sèrie amb un PTC de 250 mA. La tensió de conducció ha de ser d’uns 4,0V.