Диплом. Диплом Ионов А.В. 1. Теоретическая часть

• Название: 1. Теоретическая часть
• Анкор: Диплом
• Дата: 26.11.2019
• Размер: 1.71 Mb.
• Имя файла: Диплом Ионов А.В.docx
• Тип: Документы; #97181
• страница: 6 из 13

1.9 Управление светодиодами постоянным током

Путем решения проблемы разного прямого напряжения V_f при одинаковом токе является использование для управления постоянного тока, а не напряжения. Для поддержания постоянного тока, а, следовательно, и силы света, драйвер светодиода автоматически подстраивает выходное напряжение. Такой подход можно использовать в случае единичного твердотельного излучателя или при их последовательном соединении. Если ток через все светодиоды одинаков, то, несмотря на различия в V_f, они будут иметь одинаковую яркость «Рис.15»


Рисунок 15. Цепочка светодиодов

Если излучатели прогрелись до рабочей температуры, то для поддержания величины тока неизменной, источник постоянного тока автоматически уменьшит напряжение управления. Это делает их яркость, не зависящей от температуры.

Еще одним значительным преимуществом является то, что источник стабильного тока не позволяет какому-то отдельному светодиоду в цепи быть перегруженным. Это гарантирует, что все они будут иметь большой срок службы. Если один из полупроводниковых излучателей окажется пробитым (накоротко замкнутым), то остальные продолжат функционировать с корректным рабочим током.

1.10 Источники стабильного постоянного тока

Простейшим источником постоянного тока является генератор постоянного напряжения, управляющий светодиодом через резистор. Если падение напряжения на сопротивлении примерно равно прямому напряжению на светодиоде. Такое решение очень дешево, но обладает плохими характеристиками регулирования тока и весьма расточительно по мощности. Многие дешевые светодиодные лампы типа кластера, предлагаемые в качестве замены низковольтных галогенных ламп, используют этот метод. В случае замыкания в одном из светодиодов резистор перегорит относительно быстро и таким же относительно коротким будет время жизни всего кластера.

Другим простейшим источником постоянного тока является его линейный регулятор. На рынке доступны несколько дешевых драйверов светодиодов, использующих этот метод. Для этой же цели могут применяться и линейные стабилизаторы напряжения, работающие в режиме постоянного тока. Внутренняя обратная связь поддерживает управляемый ток внутри 5%-го коридора, но тепловая мощность выделяется в виде тепла, и для ее рассеяния требуется хороший теплоотвод. Плохая эффективность этого метода слабо согласуется с принципом высокой эффективности твердотельного освещения.

Лучшим источником постоянного тока является импульсный стабилизатор (switching regulator). Цена такого драйвера выше, чем у других решений, но точность в широком диапазоне нагрузок находится в пределах 3%, а эффективность преобразования превышает 96%, это означает, что только 4% энергии растрачивается бесполезно и устройство может работать при высоких температурах окружающей среды (рис. 16).

Рисунок 16. Примеры источников стабильного тока для светодиодов

Одно важное отличие между альтернативными подходами, приведенными выше, — диапазон входного и выходного напряжений.

Так, DC/DC-регулятор-переключатель имеет большой диапазон входных и выходных напряжений, в котором он обеспечивает стабильный ток (например, RCD-24.0.35 при изменении постоянного напряжения от 5 до 36 В может давать на выходе 2–34 В). Большой диапазон выходных напряжений позволяет использовать различные комбинации светодиодных линеек, но кроме того дает возможность в широких пределах регулировать яркость.

Два других альтернативных решения, приведенных выше, в случае, если нужен только один светодиод, приведут к проблемам с рассеиваемой мощностью, поскольку падение напряжения на резисторе или регуляторе будет больше, соответственно вырастут и потери энергии. Диапазон входных напряжений также ограничен по тем же соображениям.

1.11 Виды соединений светодиодов

Большинство мощных белых светодиодов разрабатываются на рабочий ток 350 мА. Происходит это потому, что по законам химии их прямое напряжение должно быть порядка 3 В, а 3,0×0,35≈1Вт, что является удобной для светодиодов мощностью. Большинство DC/DC-драйверов стабильного тока для твердотельных излучателей света являются дробящими или понижающими (buck or step-down) преобразователями. Это означает, что максимальное выходное напряжение меньше, чем входное.

Если входное напряжение нельзя менять (например, батарея), то максимальное число светодиодов должно быть сокращено в зависимости от минимального значения доступного входного напряжения.

Два излучателя — это не слишком много, что бы обойти данную проблему можно, используя повышающий преобразователь, у которого выходное напряжение превышает входное, или поставить в параллель две или более цепочки. Для каждой из них драйвер будет обеспечивать требуемые 350 мА; две, включенные в параллель, будут снабжаться током 700 мА, три — 1,05 А и т. д. Следовательно, выбор источника питания для светодиодов должен учитывать доступное входное напряжение и число цепочек, которыми необходимо управлять. На «Рис.17», «Рис.18»«Рис.19» показаны некоторые варианты подключения типичных одноваттных белых светодиодов к 12-В источнику постоянного напряжения.



Рисунок 17 Три светодиода включены последовательно

Достоинства : высокая точность задания тока, безопасность при отказе

Недостатки: малоче число излучателей в цепочке



Рисунок 18. Щесть светодиодов в двух параллельных цепочках

Достоинства: удвоенное число излучателей

Недостатки: безопасность при отказе не обеспечивается, несбалансированность токов в цепочкаках



Рисунок 19. Девять светодиодов в трех цепочках

Достоинства: утроенное число излучателей

Недостатки:Безопасность при отказе не обеспечивается, несбалансированность токов в цепочке

Наиболее безопасным и надежным методом является подключение к драйверу одной цепочки светодиодов. Если какой-то излучатель выйдет из строя и разомкнет цепь, подача тока к остальным прекратится. Если же один из них выйдет из строя и станет короткозамкнутой цепью, то оставшиеся по-прежнему будут снабжаться тем же током.

Достоинством управления многими светодиодами с помощью одного драйвера является большое число излучателей, а недостатком — незащищенность в случае отказа. В случае двух параллельных цепочек при таком отказе светодиода, когда он разрывает цепь, все те же постоянные 700 мА потекут через оставшуюся цепочку, которая спустя весьма короткое время также выйдет из строя. При трех параллельно включенных линейках в случае отказа одного излучателя две оставшиеся цепи будут делить между собой ток равный 1 А. Обе окажутся перегруженными током в 500 мА. Возможно, что некоторое время они смогут работать, но это будет зависеть от качества теплоотвода, со временем большой ток вызовет отказ другого светодиода, после чего третья цепочка примет на себя весь ток в один ампер и почти сразу же выйдет из строя.

Если же какой-то светодиод откажет и превратится в короткозамкнутую цепь, это вызовет перераспределение токов между цепями, но самый большой потечет через цепь, в котором прибор вышел из строя. В конце концов последняя откажет и вызовет «эффект домино», аналогичный описанному выше.

Мощные светодиоды надежны, поэтому описанные выше отказы могут происходить не слишком часто. Исходя из этого, большинство разработчиков твердотельного освещения выбирают удобный и дешевый вариант питания нескольких цепочек светодиодов от одного драйвера, хотя и сознают риск того, что при отказе одного из строя выйдут и многие другие излучатели.