Что такое конструкция постоянного питания светодиодного драйвера?
Управление светодиодом в режиме постоянной мощности в последнее время стало популярной темой. Почему светодиоды должны управляться постоянным током? Почему не с постоянным источником питания?
Прежде чем обсуждать вышеуказанный вопрос, мы должны понять, почему светодиод должен питаться постоянным током. Как показано на рисунке (a) кривой IV светодиода, когда прямое напряжение светодиода изменяется примерно на 2.5%, ток через светодиод соответственно изменяется примерно на 16%, а прямое напряжение светодиода легко зависит от температуры перехода. Изменение высокой и низкой температуры может даже привести к изменению напряжения на 20% или более. Яркость светодиода пропорциональна прямому току светодиода. Если ток изменяется в больших масштабах, то и яркость тоже. Следовательно, светодиод должен питаться от источника постоянного тока. Однако может ли светодиод питаться от постоянной мощности? Чтобы продолжить обсуждение этой темы, во-первых, мы должны пренебречь тем, эквивалентна ли постоянная мощность постоянной яркости или нет. Судя по ВАХ и температурной кривой светодиода, конструкция драйвера постоянной мощности кажется работоспособной. Если да, то почему производители светодиодных драйверов не разрабатывают светодиодные драйверы с постоянной мощностью? Нетрудно спроектировать драйвер с конструкцией постоянной мощности, если реализация MCU (блок микроконтроллера) выполняется в драйвере светодиода, управление выходной мощностью которого относится к рабочему циклу ШИМ (широтно-импульсной модуляции).
Чтобы управлять рабочим циклом ШИМ, микроконтроллер отвечает за расчет между сигналами обратной связи выходного напряжения и тока и приводит выход в соответствие с кривой постоянной мощности, показанной синим цветом на рисунке (b), так что постоянная выходная мощность может быть достигнуто. Однако изготовление драйвера светодиода постоянной мощности не только требует определенной суммы денег, но и вызывает другую проблему, заключающуюся в том, что выходной ток будет увеличиваться из-за повреждения светодиода, что может еще больше усугубить ситуацию. Поскольку светодиод является компонентом с отрицательным температурным коэффициентом, при более высокой температуре ожидается снижение выходного тока для поддержания продолжительного срока службы светодиода. Тем не менее метод постоянной мощности противоречит этому соображению. Драйвер светодиода с постоянной мощностью увеличивает выходной ток, что приводит к более низкому выходному напряжению для высокотемпературных применений. Таким образом, с учетом различных факторов наиболее эффективным решением является обеспечение драйвера светодиодов с «постоянной мощностью» с широким диапазоном выходного напряжения и тока.
Драйверы для светодиодов с постоянной мощностью, производимые MEAN WELL, специально разработаны для обеспечения клиентов широким диапазоном напряжения и силы тока. Чтобы избежать ненужных затрат из-за чрезмерной конструкции, неправильного использования из-за характеристик светодиодов и причинения ущерба лампам, предлагающим широкий диапазон, напоминающий постоянную мощность, в настоящее время является наиболее подходящим решением.
 Рисунок (a) Кривая LED IV |
 Рисунок (b) Кривая ВАХ светодиода с температурой перехода |
Вся серия XLG разработана с топологией постоянной мощности. Широкий диапазон выходного напряжения и тока обеспечивает гибкое и эффективное решение для различных конфигураций светодиодов, что также позволяет сократить количество моделей на складе. Возьмем для примера сравнение ELG-75-48/XLG-75-H, макс. мощность ELG-75-48 будет 48 В/1.56 А, см. кривую (c). Когда напряжение светодиода намного ниже 48 В, выходной ток не может быть соответственно увеличен из-за конструктивных ограничений. Таким образом, номинальная выходная мощность не может быть достигнута из-за разницы напряжений, в то время как модель XLG-75-H легко обходит эту проблему. Благодаря конструкции с постоянной мощностью XLG-75-H обеспечивает полную мощность в диапазоне напряжений от 36 до 58 В. Клиенты могут регулировать выходной ток и проектировать светодиодные светильники с полной мощностью, см. кривую (d). Кроме того, для получения светодиодного драйвера с широким диапазоном полной мощности в серии XLG используются компоненты с более высокими номинальными характеристиками и требования к проверке для достижения более высокой надежности и срока службы. Характерный для XLG широкий диапазон регулировки также облегчает клиентам процесс самостоятельной регулировки. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, обратитесь к спецификации.
Руководство по проектированию светодиодных схем, основам и эксплуатации светодиодов
Аннотация: В течение многих лет светодиоды (LED) были популярным выбором для использования в индикаторах состояния и матричных панелях. Теперь вы можете выбирать между недавно разработанными синими и белыми типами (широко используемыми в портативных устройствах), а также вездесущими зелеными, красными и желтыми типами. Например, белые светодиоды считаются идеальным фоновым освещением для цветных дисплеев. Но следует учитывать присущие этим новым светодиодным устройствам особенности при проектировании блоков питания для них. В этой статье описываются свойства старых и новых светодиодов, а также производительность, необходимая для источников питания, которые их активируют.
Стандартные красный, зеленый и желтый светодиоды
Самый простой способ управлять светодиодом — подать на него источник напряжения с последовательным резистором. Светодиод излучает свет постоянной интенсивности до тех пор, пока рабочее напряжение (ВB) остается постоянным (хотя интенсивность уменьшается с повышением температуры окружающей среды). Вы можете изменить интенсивность света по мере необходимости, изменяя номинал резистора.
Для стандартного светодиода диаметром 5 мм, Рисунок 1 показывает прямое напряжение (ВF) по сравнению с прямым током (IF). Обратите внимание, что падение напряжения на светодиоде увеличивается с увеличением прямого тока. Предполагая, что один зеленый светодиод с прямым током 10 мА должен иметь постоянное рабочее напряжение 5 В, последовательный резистор RV равно (5В -ВF, 10 мА)/10 мА = 300 Ом. Прямое напряжение составляет 2 В, как показано на графике типичных рабочих условий, приведенном в техническом паспорте (Рисунок 2).
Рисунок 1. Стандартные красные, зеленые и желтые светодиоды имеют прямое напряжение в диапазоне от 1.4 В до 2.6 В, в зависимости от желаемой яркости и выбора прямого тока. Для прямых токов ниже 10 мА прямое напряжение изменяется всего на несколько сотен милливольт.
Рис. 2. Последовательный резистор и источник постоянного напряжения обеспечивают простой способ управления светодиодом.
- Излучаемый цвет (длина излучаемой волны) остается относительно постоянным при изменении прямого тока, рабочего напряжения и температуры окружающей среды. Стандартные зеленые светодиоды излучают длину волны около 565 нм с небольшим допуском всего 25 нм. Параллельная работа нескольких таких светодиодов не представляет проблемы (Рисунок 3), потому что различия в цвете очень малы. Нормальное изменение прямого напряжения вызывает небольшие различия в интенсивности света, но они также незначительны. Обычно вы можете пренебречь любыми различиями между светодиодами одного производителя и одной партии.
- Прямое напряжение практически не изменяется при прямом токе примерно до 10 мА. Разница составляет около 200 мВ для красных светодиодов и около 400 мВ для других цветов (рис. 1).
- Для прямых токов ниже 10 мА прямое напряжение намного меньше, чем для синих или белых светодиодов, что позволяет недорого работать непосредственно от элемента Li+ или тройного элемента NiMH.
Таким образом, стоимость электроэнергии для эксплуатации стандартных светодиодов достаточно низкая. Повышающие преобразователи или сложные и дорогие источники тока не нужны, если рабочее напряжение светодиода выше, чем его максимальное прямое напряжение.
Эти светодиоды могут даже работать непосредственно с литий-ионными или тройными никель-металлгидридными элементами, если приложение допускает снижение интенсивности света по мере разряда элементов батареи.
Синие светодиоды
Светодиоды, излучающие синий свет, долгое время были недоступны. Инженеры-конструкторы смогли прибегнуть только к существующим цветам: красному, зеленому и желтому. Ранние «синие» устройства на самом деле представляли собой не синие светодиоды, а маленькие лампочки накаливания, окруженные диффузором синего цвета.
Первые «истинно синие» светодиоды были разработаны несколько лет назад с использованием чистого кремний-углеродного материала (SiC), но их светоотдача была низкой. Устройства следующего поколения имели базовый материал из нитрида галлия, который достиг светоотдачи в несколько раз по сравнению с первыми версиями. Сегодняшний эпитаксиальный материал для синих светодиодов называется нитридом индия-галлия (InGaN). Излучая с длиной волны в диапазоне от 450 до 470 нм, светодиоды InGaN производят в пять раз больше света, чем светодиоды из нитрида галлия.
Белый светодиод
Настоящие светодиоды, излучающие белый свет, недоступны. Такое устройство сложно построить, потому что светодиоды обычно излучают одну длину волны. Белый не появляется в спектре цветов; вместо этого для восприятия белого цвета требуется смесь длин волн.
Хитрость используется для изготовления белых светодиодов. Основной материал InGaN, излучающий синий цвет, покрыт материалом преобразователя, который излучает желтый свет при стимуляции синим светом. В результате получается смесь синего и желтого света, воспринимаемая глазом как белая (Рисунок 4).
Рисунок 4. Длины волн излучаемого белого светодиода (сплошная кривая) включают пики в синей и желтой областях, но интерпретируются человеческим глазом как белый свет. Для сравнения показана относительная светочувствительность человеческого глаза (пунктирная кривая).
Цвет белого светодиода определяется цветовыми координатами. Значения этих координат X и Y рассчитываются в соответствии с инструкциями, приведенными в публикации 15.2 Международной комиссии по освещению (CIE). В технических паспортах белых светодиодов часто указывается изменение этих цветовых координат при увеличении прямого тока (Рисунок 5).
Рисунок 5. Изменение прямого тока изменяет координаты цветности белого светодиода (LE Q983 от OSRAM Opto Semiconductors) и, следовательно, качество его белого света.
К сожалению, со светодиодами на основе InGaN не так просто обращаться, как со стандартными зелеными, красными и желтыми светодиодами. Преобладающая длина волны (цвет) светодиода InGaN изменяется в зависимости от прямого тока (Рисунок 6). Белые светодиоды, например, демонстрируют сдвиг цвета из-за различных концентраций материала преобразователя, в дополнение к изменению длины волны с прямым напряжением для материала InGaN, излучающего синий свет. Это изменение цвета можно увидеть на рисунке 5, где смещение координат X и Y означает изменение цвета. (Как упоминалось ранее, белые светодиоды не имеют определенной длины волны.)
Рис. 6. Увеличение прямого тока изменяет оттенок синего светодиода за счет изменения длины волны его излучения.
Прямое напряжение сильно изменяется для прямых токов до 10 мА. Диапазон изменения составляет около 800 мВ (некоторые типы диодов изменяются еще больше). Таким образом, изменение рабочего напряжения, вызванное разрядкой батареи, меняет цвет, поскольку изменение рабочего напряжения изменяет прямой ток. При прямом токе 10 мА прямое напряжение составляет около 3.4 В (эта величина варьируется в зависимости от производителя и колеблется от 3.1 В до 4.0 В). Вольт-амперная характеристика также сильно различается от светодиода к светодиоду (см. ниже). Работа светодиода напрямую от батареи затруднена, потому что состояние разрядки большинства батарей ниже минимально необходимого прямого напряжения светодиода.
Белые светодиоды работают параллельно
Многие портативные устройства и устройства с батарейным питанием используют белые светодиоды для фоновой подсветки. В частности, цветные дисплеи КПК нуждаются в белой подсветке для получения цветопередачи, близкой к оригиналу. Будущие мобильные телефоны 3G будут поддерживать изображения и видеоданные, для которых требуется белая подсветка. Цифровые фотокамеры, MP3-плееры и другое видео- и аудиооборудование также включают в себя дисплеи, для которых требуется белая подсветка.
В большинстве случаев одного белого светодиода недостаточно, поэтому необходимо использовать несколько светодиодов вместе. Необходимо предпринять специальные шаги, чтобы убедиться, что их интенсивность и цвет совпадают, даже если заряд батареи и другие условия различаются.
Рисунок 7 показывает кривые ток-напряжение для группы случайно выбранных белых светодиодов. Подача напряжения 3.3 В на эти светодиоды (верхняя пунктирная линия) создает прямые токи в диапазоне от 2 мА до 5 мА, что, в свою очередь, дает различные оттенки белого цвета. Координата Y, в частности, сильно изменяется в этой области (рис. 5), что приводит к неверному воспроизведению цвета на освещенном дисплее. Светодиоды также имеют разную силу света, что создает неоднородное освещение. Еще одна проблема – требуемое минимальное напряжение питания. Для работы светодиодов необходимо напряжение значительно выше 3 В. Ниже этого уровня несколько светодиодов могут оставаться полностью темными.
Рис. 7. Эти кривые иллюстрируют значительные различия в ВАХ белых светодиодов, даже случайно выбранных из одной производственной партии. Параллельная работа нескольких таких светодиодов при постоянном напряжении 3.3 В (верхняя пунктирная линия) дает разные оттенки белого и разную яркость.
Литий-ионный аккумулятор при полной зарядке обеспечивает выходное напряжение 4.2 В, которое после короткого периода работы падает до номинального значения 3.5 В. Это напряжение снижается до 3.0 В по мере разрядки аккумулятора. Если белые светодиоды работают напрямую от батареи, как показано на рис. 3, возникают следующие проблемы:
Сначала, когда батарея полностью заряжена, горят все диоды, но с разными оттенками интенсивности и цвета. Когда напряжение батареи падает до номинального уровня, интенсивность света уменьшается, а различия в белом цвете становятся сильнее. Поэтому разработчик должен учитывать значение напряжения батареи и прямого напряжения диода, для которых рассчитывается последовательный резистор. (При полностью разряженной батарее некоторые светодиоды будут полностью темными.)
Зарядный насос с контролем тока
Целью источника питания светодиодов является обеспечение достаточно высокого выходного напряжения и обеспечение одинакового тока через все параллельно подключенные светодиоды. Обратите внимание (рис. 5), что если все белые светодиоды параллельной конфигурации имеют одинаковые токи, все они будут иметь одинаковые координаты цветности. Для этой цели Maxim предлагает зарядовый насос с контролем тока (MAX1912).
В параллельной конфигурации трех светодиодов, показанных на рис. Рисунок 8, зарядовый насос представляет собой крупномасштабный тип, который увеличивает входное напряжение в 1.5 раза. Раньше зарядовые насосы просто удваивали входное напряжение, но этот новый метод обеспечивает более высокую эффективность. Входное напряжение повышается до уровня, который позволяет работать только светодиодам. Сети резисторов, подключенные к SET (вывод 10), обеспечивают одинаковые токи во всех светодиодах. Внутренняя схема поддерживает напряжение SET на уровне 200 мВ, поэтому ток через любой светодиод можно рассчитать как ILED = 200 мВ/10 Ом = 20 мА. Если для некоторых диодов требуется меньший ток, вы можете подключить более трех диодов параллельно, поскольку MAX1912 выдает до 60 мА. См. техническое описание MAX1912 для дальнейших применений и схем.
Рис. 8. Эта ИС сочетает в себе зарядовый насос с управлением током. Насос заряда обеспечивает достаточное рабочее напряжение для белых светодиодов, а управление током обеспечивает однородный белый свет, пропуская одинаковые токи через каждый светодиод.
Простое управление током
Белые светодиоды могут легко работать, если система обеспечивает напряжение выше, чем прямое напряжение диодов. Цифровые фотокамеры, например, обычно имеют питание +5 В. В этом случае вам не нужна функция форсирования, потому что напряжение питания имеет достаточный запас для питания светодиодов. Для схемы, показанной на рис. 8, следует выбрать согласованный источник тока. Например, MAX1916 может параллельно управлять тремя светодиодами.Рисунок 9).
Рисунок 9. Один внешний резистор (RУСТАНОВКА) программирует значение одинаковых токов, подаваемых на каждый светодиод. Подача сигнала с широтно-импульсной модуляцией на контакт включения (EN) этой ИС обеспечивает простое управление яркостью (функция затемнения).
Операция проста: Резистор RУСТАНОВКА программирует ток, проходящий через подключенные светодиоды. Этот подход занимает очень мало места на доске. Помимо микросхемы (небольшой корпус SOT6 с 23 выводами) и нескольких обходных конденсаторов, требуется только один внешний резистор. ИС обеспечивает превосходное согласование токов между светодиодами на уровне 0.3%. Эта конфигурация обеспечивает идентичные местоположения цветности и, следовательно, идентичные типы белого света от каждого светодиода.
Затемнение варьируется в зависимости от интенсивности света
Некоторые портативные устройства регулируют интенсивность своего светового потока в зависимости от условий окружающего освещения, а другие снижают интенсивность света с помощью программного обеспечения после короткого периода ожидания. Обе эти операции требуют затемнения светодиодов, и такая функция затемнения должна одинаково влиять на каждый прямой ток, чтобы избежать возможных сдвигов в координации цветности. Эта однородность может быть достигнута с помощью небольшого цифро-аналогового преобразователя, который регулирует ток через резистор R.УСТАНОВКА резистор.
Преобразователь с 6-битным разрешением, такой как MAX5362 с интерфейсом, совместимым с I 2 C*, или MAX5365 с интерфейсом, совместимым с SPI™, делает возможной функцию диммирования с 32 ступенями интенсивности света (Рисунок 10). Тип белого света светодиодов меняется с изменением яркости, потому что прямой ток влияет на координаты цветности. Это не должно быть проблемой, потому что одинаковые прямые токи заставляют каждый диод в группе излучать одинаковый свет.
Рис. 10. Этот цифро-аналоговый преобразователь управляет яркостью светодиодов, синхронно изменяя их прямые токи.
Функция затемнения, при которой координаты цветности не перемещаются, называется широтно-импульсной модуляцией. Это может быть реализовано с большинством источников питания, которые обеспечивают функцию включения или выключения. MAX1916, например, ограничивает ток утечки через светодиоды всего до 1 мкА, как только часть отключается путем понижения EN. Результат – нулевое излучение света. Подтягивание EN к высокому уровню направляет запрограммированный прямой ток через светодиоды. Если вы подаете сигнал с широтно-импульсной модуляцией на EN, яркость будет пропорциональна коэффициенту заполнения этого сигнала.
Координаты цветности не меняются, потому что каждый светодиод продолжает видеть один и тот же прямой ток. Однако человеческий глаз воспринимает изменение рабочего цикла как изменение яркости. Частоты выше 25 Гц не воспринимаются человеческим глазом, поэтому частота переключения 200-300 Гц является хорошим выбором для ШИМ-диммирования. Более высокие частоты могут вызвать проблемы, поскольку координаты цветности могут смещаться в течение короткого интервала времени, необходимого для включения и выключения светодиодов. ШИМ-сигнал может подаваться с вывода ввода-вывода микропроцессора или с одного из его периферийных устройств. Количество доступных шагов яркости зависит от ширины регистра счетчика, используемого для этой цели.
Импульсный повышающий преобразователь имеет контроль тока
Помимо упомянутого выше зарядового насоса (MAX1912), вы также можете реализовать повышающий преобразователь с управлением по току. Импульсный преобразователь напряжения MAX1848, например, генерирует выходное напряжение до 13 В, чего достаточно для последовательного включения трех светодиодов.Рисунок 11). Этот подход, вероятно, самый чистый, потому что все светодиоды, соединенные последовательно, имеют одинаковый ток. Ток светодиода определяется RСМЫСЛ и напряжением, подаваемым на вход CTRL.
Рис. 11. Этот импульсный повышающий преобразователь обеспечивает работу нескольких светодиодов последовательно. Все они имеют одинаковый прямой ток, который управляется через вход CTRL (например) цифро-аналоговым преобразователем.
MAX1848 может реализовать функцию диммирования в соответствии с любым из методов, описанных выше. Прямой ток через светодиоды пропорционален напряжению на выводе CTRL. Поскольку MAX1848 переходит в режим выключения, когда напряжение, подаваемое на CTRL, падает ниже 100 мВ, вы также можете реализовать функцию диммирования ШИМ.
Заключение
Белые светодиоды могут работать параллельно, если вы позаботитесь о том, чтобы обеспечить излучение однородного белого света, сделав их прямые токи равными. Для работы светодиодов выберите либо управляемый источник тока, либо комбинацию повышающего преобразователя с управлением током. Используя подкачивающие насосы или переключаемые повышающие преобразователи, вы можете реализовать такие комбинации с несколькими стандартными продуктами.
