Харчування світлодіодів за допомогою ZXSC300

1. Трохи докладніше про використовуваний деталях.

Наши партнеры ArtmMisto

Давиденко Юрій. м Луганськ
Адреса Email -
david_ukr (at) list.ru (замініть (at) на @)

Доцільність використання світлодіодів в ліхтарях, велофари, в пристроях місцевого та чергового освітленням на сьогоднішній день не викликає сумнівів. Светоотдача і потужність світлодіодів зростає, а ціни на них падають. Джерел світла, в яких замість звичної лампи розжарювання використовуються світлодіоди білого світіння ставати все більше і купити їх не складає труднощів. Магазини та ринки заповнені світлодіодним продукцією китайського виробництва. Але якість цієї продукції залишає бажати кращого. З цього виникає необхідність в модернізації доступних (в першу чергу за ціною) світлодіодних джерел світла. Та й замінити лампи розжарювання на світлодіоди в добротних ліхтарях радянського виробництва теж має сенс. Сподіваюся, що наведена далі інформація буде не зайвою.

Як відомо, світлодіод має нелінійну вольтамперних характеристику з характерною "п'ятою" на початковій ділянці.

Рис. 1 Вольт-амперна характерісіка світлодіода білого світіння.

Як ми бачимо, світлодіод починає світитися, якщо на нього подано напругу більше 2,7 В. При харчуванні його від гальванічної або акумуляторної батареї, напруга якої процесі експлуатації поступово зменшується, яскравість випромінювання буде змінюватися широких межах. Щоб уникнути, цього необхідно живити світлодіод стабілізованою струмом. А струм повинен бути номінальним для даного типу світлодіода. Зазвичай для стандартних 5-мм світлодіодів він становить середньому 20 мА.

З цієї причини доводиться застосовувати електронні стабілізатори струму, які обмежують стабілізують струм, що протікає через світлодіод. Часто буває необхідно живити світлодіод від одного або двох елементів живлення напругою 1,2 - 2,5 В. Для цього використовують підвищують перетворювачі напруги. Оскільки будь-який світлодіод є, по суті, струмовим приладом, точки зору енергоефективності вигідно забезпечувати пряме управління струмом, що протікає через нього. Це дозволяє виключити втрати, що виникають на баластному (токоогранічительний) резистори.

Одним з оптимальних варіантів харчування різних світлодіодів від автономних джерел струму невеликого напруги 1-5 вольт є використання спеціалізованої мікросхеми ZXSC300 фірми ZETEX. ZXSC300 це імпульсний (індуктивний) підвищує перетворювач DC-DC c частотно-імпульсною модуляцією.

Розглянемо принцип роботи ZXSC300.

На малюнку Рис.2 показана одна з типових схем живлення білого світлодіода імпульсним струмом з допомогою ZXSC300. Імпульсний режим харчування світлодіода дозволяє максимально ефективно використовувати енергію, наявну в батарейці чи акумуляторі.

Крім самої мікросхеми ZXSC300 перетворювач містить: елемент живлення 1,5 В, накопичувальний дросель L1, силовий ключ - транзистор VT1, датчик струму - R1.

Працює перетворювач традиційним для нього чином. Протягом деякого часу за рахунок імпульсу, що надходить з генератора G (через драйвер), транзистор VT1 відкритий і струм через дросель L1 наростає за лінійним законом. Процес триває до моменту, коли на датчику струму -нізкоомном резисторі R1 падіння напруга досягне величини 19 мВ. Цього напруги досить для перемикання компаратора (на другий вхід якого подано невелике зразкове напруга з дільника). Вихідна напруга з компаратора надходить на генератор, в результаті чого силовий ключ VT1 закривається і енергія, накопичена в дроселі L1, надходить в світлодіод VD1. Далі процес повторюється. Таким чином, з первинного джерела живлення в світлодіод надходить фіксовані порції енергії, які він перетворює в світлову.

Управління енергією відбувається за допомогою частотно-імпульсної модуляції ЧИМ (PFM Pulse Frequency Modulation). Принцип ЧИМ полягає в тому, що змінюється частота, а постійним залишається тривалість імпульсу або паузи, відповідно, відкритого (On-Time) і закритого (Off-Time) стану ключа. У нашому випадки незмінним залишається час Off-Time, тобто тривалість імпульсу, при якому зовнішній транзистор VT1 знаходиться в закритому стані. Для контролера ZXSC300 Toff становить 1,7 мкс.

Це час досить для передачі накопиченої енергії з дроселя в світлодіод. Тривалість імпульсу Ton, протягом якого відкритий VT1, визначається величиною струмовимірювальні резистори R1, вхідною напругою, і різницею між вхідним і вихідним напругою, а енергія, яка накопичується в дроселі L1, буде залежати від його величини. Оптимальним вважається, коли повний період Т дорівнює 5мкс (Toff + Ton). Соответственна робоча частота F = 1 / 5мкс = 200 кГц.

При зазначених на схемі Рис.2 номіналах елементів осциллограмма імпульсів напруги на світлодіоді має вигляд

Рис.3 вид імпульсів напруги на світлодіоді. (Сітка 1В / справ, 1мкс / справ)

Трохи докладніше про використовуваний деталях.

Транзистор VT1 -FMMT617, n-р-n транзистор з гарантованим напругою насичення колектор-емітер не більше 100 мВ при струмі колектора 1 А. Чи здатний витримувати імпульсний струм колектора до 12 А (постійний 3 А), напруга колектор-емітер 18 В, коефіцієнт передачі струму 150 ... 240. Динамічні характеристики транзистора: час включення / вимикання 120/160 нс, f = 120 МГц, вихідна ємність 30 пф.

FMMT617 є найкращим комутаційним пристроєм, який можна використовувати спільно з ZXSC300. Він дозволяє отримати високий ККД перетворення при вхідній напрузі менше одного вольта.

Накопичувальний дросель L1.

Як накопичувального дроселя можна використовувати як промислові SMD Power Inductor, так і саморобні. Дросель L1 повинен витримувати максимальний струм силового ключа VT1 без насичення муздрамтеатру. Активний опір обмотки дроселя не повинно перевищувати 0,1 Ом інакше ККД перетворювача помітно знизитися. Як сердечника для самостійної намотування добре підходять кільцеві магнітопроводи (К10x4x5) від дроселів фільтрів харчування використовуються в старих комп'ютерних материнських платах. На сьогоднішній день б / у комп'ютерне «залізо» можна придбати за викидними цінами на будь-якому радіоринку. А «залізо» - це невичерпне джерело різноманітний деталей для радіоаматорів. При самостійної намотування для контролю знадобиться вимірювач індуктивності.

Струмовимірювальні резистори R1. Низькоомним резистор R1 47мОм отриманий паралельним з'єднанням двох SMD резисторів тіпоразмера1206 по 0,1 Ом.

Світлодіод VD1.

Світлодіод VD1 білого світіння з номінальним робочим струмом 150 мА. В авторській конструкції використовується два четирехкрістальних світлодіода з'єднані паралельно. Номінальний струм одного з них становить 100 мА, іншого 60 мА. Робочий струм світлодіода визначено шляхом пропускання через нього, стабілізованого постійного струму і контролю температури катодного (мінусового) виведення, який є радіатором і відводить тепло від кристала.

При номінальному робочому струмі температура тепловідводної висновку не повинна перевищувати 40 - 45 градусів. Замість одного світлодіода VD1 також можна використовувати вісім паралельно з'єднаних стандартний 5 мм світлодіодів зі струмом 20 мА.

Зовнішній вигляд пристрою

Рис. 4a.

Рис. 4b.

Друкована плата показана на Рис. 5

Рис. 5 (розмір 14 на 17 мм).

При розробці плат для подібних пристроїв необхідно прагнути до мінімальних значень ємності та індуктивності провідника з'єднує До VT1 з накопичувальним дроселем і світлодіодом, а також до мінімальних індуктивності і активного опору вхідних і вихідних ланцюгів і загального проводу. Опір контактів і проводів через які надходить напруга живлення повинно бути теж мінімально.

На наступних схемах Рис. 6 і Рис. 7 показаний спосіб харчування потужних світлодіодів типу Luxeon з номінальним робочим струмом 350 мА

Рис. 6 Спосіб харчування потужних світлодіодів типу Luxeon

Рис. 7 Спосіб харчування потужних світлодіодів типу Luxeon - ZXSC300 запитана від вихідної напруги.

На відміну від розглянутої раніше схеми тут харчування світлодіода відбувається не імпульсним, а постійним струмом. Це дозволяє легко контролювати робочий струм світлодіода і ККД всього пристрою. Особливість перетворювача на Рис. 7 полягає в тому, що ZXSC300 запитана від вихідної напруги. Це дозволяє ZXSC300 працювати (після запуску) при зниженні вхідної напруги аж до 0,5 В. Діод VD1 - Шотки розрахований на струм 2А. Конденсатори С1 і С3 - керамічні SMD, С2 і С3 - танталові SMD.

Друковані плати показані на Рис. 8 Рис. 9 (розмір 25 на 25 мм).

Рис. 8

Рис. 9

На Рис. 10 показана схема харчування 5-6 світлодіодів включених послідовно з робочим струмом 20мА.

Рис. 10 Схема харчування 5-6 світлодіодів включених послідовно з робочим струмом 20мА.

У таблиці 1 наведені рекомендації щодо вибору елементів схеми.

Вхідна напруга харчування, В. Робочий струм світлодіодів, мА Кількість світлодіодів послідовно з'єднаних. Опір струмовимірювальні резистори, мОм. Індуктивність накопичувального дроселя, мкГн. 1,5 20 1 270 68 1,5 30 1 180 68 1,5 50 1 100 68 1,5 20 2 150 100 1,5 30 2 100 100 1,5 50 2 39 100 3,5 20 3 220 68 3 , 5 20 4 150 68 3,5 20 6 77 68 3,5 30 6 47 68 5 20 4 270 68 5 30 6 100 68

На сьогоднішній день стали доступні в використанні потужні 3 - 5 Вт світлодіоди різних виробників (як іменитих так і не дуже).

І в цьому випадки застосування ZXSC300 дозволяє легко вирішити задачу ефективного харчування світлодіодів з робочим струмом 1 А і більше.

В якості силового ключа в даній схемі зручно використовувати відповідний по потужності n-канальний (працює від 3 В) Power MOSFET, можна також використовувати збірку серії FETKY MOSFET (з діодом Шотки в одному корпусі SO-8).

За допомогою ZXSC300 і декількох світлодіодів можна легко вдихнути друге життя в старий ліхтар. Модернізації був підданий акумуляторний ліхтар ФАР-3.

Рис.11 зовнішній вигляд модернізованого ліхтаря ФАР-3.

Світлодіоди використовувалися 4-х кристальні з номінальним струмом 100 мА - 6 шт. З'єднані послідовно по 3. Керування світловим потоком застосовані два перетворювача на ZXSC300, що мають незалежне вкл / викл. Кожен перетворювач працює на свою трійку світлодіод.

Рис.12 зовнішній вигляд перетворювачів і плати зі світлодіодами.

Плати перетворювачів виконані на двосторонньому стеклотекстолите, друга сторона з'єднана з мінусом харчування.

Рис.13 - принципові схеми перетворювачів для живлення трьох світлодіодів з номінальним струмом 100 мА.

Рис.14 - принципові схеми перетворювачів для живлення трьох світлодіодів з номінальним струмом 100 мА.

У ліхтарі ФАР-3 в якості елементів живлення використовуються три герметичних акумулятора НКГК-11Д (KCSL 11). Номінальна напруга цієї батареї 3,6 В. Кінцеве напруга розрядженої батареї становить 3 В (1 В на елемент). Подальший розряд небажаний т. К. Це призводить до скорочення терміну служби батареї. А подальший розряд можливий - перетворювачі на ZXSC300 працюють, як ми пам'ятаємо, аж до 0,9 В.

Тому для контролю напруги на батареї було спроектовано пристрій, схема якого показана на Рис. 15.

Рис.15 - принципова схема пристрою контролю напруги на батареї 3 НКГК-11Д.

Цей пристрій слід використовувати недорога доступна елементна база. DA1 - LM393 всім відомий здвоєний компаратор. Опорна напруги 2,5 В отримуємо за допомогою TL431 (аналог КР142ЕН19). Напруга спрацьовування компаратора DA1.1 близько 3 В задається подільником R2 -R3 (для точного спрацьовування можливо буде потрібно підбір цих елементів). Коли напруга на батареї GB1 знижується до 3 В спалахує червоний світлодіод HL1, якщо напруга більше 3 У той HL1 гасне і спалахує зелений світлодіод HL2. Резистор R4 визначає гистерезис компаратора.

Друкована плата пристрої контролю показана на Рис. 16 (розмір 34 на 20 мм).

Якщо у вас виникли труднощі з придбанням мікросхеми ZXSC300, транзистора FMMT617 або низькоомних SMD резисторів 0,1 Ом, можна звертатися до автора на e-mail david_ukr (аt) list.ru

Ви можете придбати наступні компоненти (доставка поштою)

№ Елементи Кількість Ціна, $ Ціна, грн 1 Мікросхема ZXSC 300 + транзистор FMMT 617 1 пара 1.5 $ 7 грн. 2 Резистор 0,1 Ом SMD типорозмір 0805 15 шт 1 $ 5 грн. 3 Друкована плата Рис. 8 3 шт. 1 $ 5 грн.