Ликбез о питании светодиодов

На эту тему:  Электронный балласт для светодиодной лампы. Схемотехника.
Стабилизатор тока светодиода. Схемотехника.
Драйверы светодиодов

Очень часто при покупке светодиода задаётся вопрос: «На сколько он вольт?» Разумеется, если речь идёт о LED-лампе, модуле, ленте, панели – законченном устройстве, уже содержащем схему управления или хотя бы просто резистор – то да, они выпускаются на стандартные напряжения. В подавляющем большинстве это 12В постоянного тока или 220 переменного. В промышленной аппаратуре встречаются и другие значения питающего напряжения, но в данной статье мы не будем касаться таких устройств, а рассмотрим, как правильно запитать дискретные светодиоды простейшими средствами – без готовых (и недешёвых) промышленных драйверов.

Прежде всего, следует помнить, что практически для всех электрических процессов в основном важно не напряжение, а ток. Физика описывает механическое действие тока, химическое действие тока, тепловое действие тока... Не напряжения, а именно тока. А какое напряжение необходимо приложить, зависит от требуемого тока и сопротивления нагрузки: U=IR (производное закона Ома).

И вот это самое R (сопротивление) зачастую непостоянно, и зависимость тока от напряжения нелинейная. Даже в обычной лампочке накаливания сопротивление нити возрастает (как и у всех металлов) с повышением температуры. Но такая нелинейность нам на руку: как бы сам собой стабилизируется ток – его увеличение ведёт к разогреву волоска, это повышает  сопротивление и, следовательно, противодействует дальнейшему увеличению тока. Именно поэтому лампы накаливания можно питать фиксированным напряжением: необходимый ток установится автоматически.

Со светодиодами – сложнее. Их вольтамперная характеристика (ВАХ), как и у всех полупроводниковых диодов, при достижении некоторого напряжения становится очень крутой, почти вертикальной, и малейшее его отклонение может вызвать значительное изменение тока. И даже при очень точном и стабильном напряжении к тем же результатам может привести тепловое смещение характеристики. Наконец, светодиоды имеют разброс параметров, и при одном и том же напряжении ток может сильно отличаться даже у приборов из одной партии.

Рабочий участок характеристики лежит в очень узком диапазоне напряжений и зависит от длины волны излучаемого света и материала светодиода: 1,5...2,1 В для арсенида галлия (красных, оранжевых, желтых), но более 2,4 В для красных же из AlInGaP... Таблица по всем цветам и материалам обширна, а для расчетов, в общем, не нужна. С достаточной точностью можно считать напряжение светодиодов

• красных – 2 В,
• желтых – 2,5 В,
• зелёных – 3 В,
• синих и белых – 3,5 В.

В принципе так можно было бы и отвечать на вопрос из первого предложения статьи, но с оговоркой, что любое отклонение напряжения приведет либо к перегоранию светодиода, либо к тому, что он будет излучать лишь несколько процентов своего номинального светового потока.

Таким образом, светодиоды следует питать только фиксированным током (не напряжением!), а уж просто его ограничить или стабилизировать с высокой точностью – зависит от того, какое качество освещения, эффективность и долговечность излучателя необходимы.

При использовании светодиодов для индикации или подсветки небольшой мощности, вполне допустимо погасить ток до уровня 60-70% максимально допустимого просто последовательно включенным резистором с сопротивлением:

R=(U-UVD)/I, где U – напряжение питания, UVD – рабочее напряжение светодиода (или суммарное нескольких, включенных последовательно), I – необходимый ток.

Мощность, выделяющаяся на резисторе P=I2R при питании маломощных светодиодов от низковольтных источников, обычно не превышает 100 мВт и позволяет использовать маленькие детали.

Максимально допустимый ток практически всех маломощных диодов (полностью пластиковых, не имеющих площадки для радиатора) составляет 20 мА, а мощность – не более 50 мВт. Исключение – квадратные «Пираньи», которые могут содержать несколько кристаллов, включенных параллельно, или кристаллы большой площади, и рассеивать, соответственно, до 200 мВт. Это немного, но в случае близкого расположения нескольких светодиодов может вызвать ощутимый нагрев, что необходимо учитывать в конструкции – обеспечивать конвекцию воздуха, не заливать теплоизолирующими полимерами и т.д.

Из формулы видно, что тот же самый ток можно получить при различном сопротивлении – в зависимости от напряжения и количества светодиодов. Например, около 14 мА будет протекать через диод с рабочим напряжением 3 В при его питании от 12-вольтового источника через резистор 643 Ом. И такой же ток, но через 3 аналогичных диода, обеспечит резистор в 214 Ом. В первом случае существенно меньше будет изменение тока при отклонениях напряжения питания и температурном дрейфе ВАХ, зато во втором – в 9 раз меньше потери энергии на резисторе (относительно потребляемой излучателями). Палка о двух концах: экономичность против стабильности и долговечности. Практически для нормальной работы светодиодов достаточно, чтобы на резисторе падала где-то треть-четверть напряжения питания.

Если количество светодиодов не укладывается в это условие (их суммарное напряжение превосходит или незначительно меньше напряжения источника), применяют групповое включение нескольких параллельно соединённых последовательных цепочек с резистором в каждой. Просто параллельное соединение светодиодов используется только в дешёвых китайских фонарях и не может гарантировать равномерного распределения тока между излучателями даже одной партии, не говоря уже о раздельно приобретенных компонентах.

Например, необходимо запитать 10 белых маломощных светодиодов от источника в 9 В (достаточно стабильного, не "гуляющего", как бортовая сеть автомобиля на 30-40%). В таком случае можно выбрать ток достаточно близкий к максимально допустимому. Скажем, 17 мА.

Последовательное соединение 3х3,5 В уже неприемлемо: недостаточно напряжения питания. Значит, останавливаемся на схеме из пяти цепочек по 2 диода – как раз треть питания на резисторах, сопротивлением R = (9 В-2*3,5 В)/17 мА=117 Ом. Конечно, не обязательно искать соответствующие прецизионные, вполне подойдёт ближайшее значение из стандартного ряда – 120 Ом.

Ток, потребляемый от источника, составит 5*17=85 мА, а мощность P=U*I=9 В*85 мА=765 мВт. То есть подойдёт блок питания мощностью всего 1 Вт (щелочная батарейка «Крона» прослужит около сотни часов).

Именно так (параллельные группы только не из двух, а из трёх последовательно соединённых диодов и резистора) устроены 12-вольтовые светодиодные ленты. Поэтому резать их можно только по специально отмеченным границам – на целое количество групп.

Стабилизировать ток в маломощной цепочке проще всего полевым транзистором VT с начальным током стока, слегка превышающим рабочий ток светодиодов (КП302, КП307 и т.п.), подобрав его точное значение изменением сопротивления R в пределах нескольких десятков Ом.

Более серьёзные схемы для стабилизации тока, а также для питания светодиодов от сети 220 В рассмотрены в статье про самодельные LED-лампы. В случае же еще больших мощностей или совсем низковольтного питания (менее 3В), или для максимальной эффективности использования самых дорогих излучателей рекомендуется уже применять промышленные драйверы: себестоимость самодельного устройства такой сложности будет выше, чем у серийно выпускаемого.

Назад к каталогу статей >>>