Мощные светодиоды.  Питаем правильно

Скачать оригинал статьи Давиденко Юрий.
г. Луганск
www.pitaemled.biz

Светодиодная индустрия не стоит на месте. Сегодня не составляет большого труда приобрести «белые» светодиоды имеющие светоотдачу 60-80 лм/Вт.  Такую возможность предоставляют: LUXEON K2 от Philips Lumileds, OSTAR от Osram, XLamp  от Cree, EDIXEON от Edison. Рабочий ток таких светодиодов составляет 0,3 – 1,5 А. Эффективность их по сравнению с лампами накаливания вне конкуренции. Поэтому они широко применяются там, где нужны компактные, высокоэффективные, надежные источники света: во всевозможных фонарях (подводные, туристические, шахтные), вело- мотто- и автофарах, аварийном и дежурном освещении.

Как нам уже известно, питать светодиоды необходимо стабильным током.  А при питании от батареек или аккумуляторов  ток этот должен быть стабильным на протяжении всего жизненного цикла батарейки или аккумулятора. Что тут поделать – любят светодиоды стабильный ток. Другими словами: аккумулятор разряжается, напряжение на нём падает, а ток через светодиод как протекал, так и протекает (номинальный), т.е. яркость светодиода не уменьшается, световой поток  не падает.  И тут возникает вопрос с помощью чего это можно добиться. Ответ прост - с помощью преобразователей ZXSC300 и ZXSC400 от фирмы ZETEX. ZXSC300 мы  уже рассматривали (смотри статью «Питание светодиодов с помощью ZXSC300») Обратим своё внимание на более продвинутую ZXSC400.

Далее, что бы ни повторяться будем рассматривать только отличия между ZXSC400 и ZXSC300.

1. Напряжение питания  ZXSC400 составляет 1.8 – 8 В.
Т.е минимальное количество элементов питания (аккумулятор 1,2В) для нормальной работы необходимо – 2шт.

2.  Внутри у ZXSC400 добавлен второй компаратор. Это дало возможность непосредственно контролировать и регулировать ток, протекающий через светодиоды. И тем самым значительно повысить стабильность его во всем диапазоне питающих напряжений. Напряжение для дополнительного компаратора снимается с датчика тока и поступает через вывод VFB

3. Появился вывод STDT.

Если этот вывод подключить к «-» питания (посадить на землю) то ZXSC400 переходит в «спящий» режим, энергопотребление при этом составляет 4,5 мкА.  Т.е теперь стало возможно управлять преобразователем (вкл/выкл.) с помощью слаботочной малогабаритной кнопки (тумблера). Но это не всё. Ели подать на этот вывод импульсы (амплитуда их не должна превышать напряжение питания) с частотой 120 Гц, то путем изменения скважности импульсов (ШИМ) можно управлять яркостью светодиодов.

Типовая схема питания мощных светодиодов имеющих параметры:
Падение напряжение 3,3-3,7В ;
Номинальный ток 0,3 – 1А
показана на Рис.1 входное напряжение 2,0 -3,0 В (два элемента питания 1.2-1.5 В).

Рис.1  Типовая схема включения  ZXSC400.

Ток через светодиод определяется сопротивлением резистора R2. Чем меньше сопротивление, тем больше ток через светодиод. Рассчитывается с помощью простой формулы  IVD = VFB / R2 = 0,3В / R2. 
Подробнее об используемый деталях :

Транзистор VT1. В качестве VT1 можно использовать:

• FMMT617 при токах до 350 мА.
• ZXTN25012EFH при токах до 700 мА.
• FZT1049A при токах более 700 мА.

Также можно использовать силовой ключ – ZXTN2007G (учитывая что его максимальный коэффициент усиления равен 300), n-р-n транзистор с гарантированным напряжением насыщения коллектор-эмиттер не более 100 мВ (при токе коллектора 2 А).  Сопротивление в открытом состоянии RSAT = 28 мОм при токе 6,5 А.
Способен выдерживать импульсный ток коллектора до 20 А (постоянный 7 А), напряжение коллектор-эмиттер 30 В, коэффициент передачи тока 100...300. Динамические характеристики транзистора: время включения/выключения 37/425 нс, f =140 МГц, выходная емкость 48 пф.

Диод VD1 – диод Шотки 2А, 40 В.

Накопительный дроссель L1. В качестве накопительного дросселя можно использовать как промышленные SMD Power Inductor, так и самодельные. Дроссель L1 должен выдерживать максимальный ток силового ключа VT1 без насыщения магнитопровода. Активное сопротивление обмотки дросселя не должно превышать 0,1 Ом, иначе КПД преобразователя заметно снизится. При самостоятельной намотке, для контроля, понадобится измеритель индуктивности.

Токоизмерительный резистор R1. Низкоомный резистор R1 сопротивлением 18 мОм получен параллельным соединением трех SMD резисторов  двух 0.05 Ом и одного 0,1 Ом.

Токоизмерительный резистор R2 Низкоомный резистор R2 сопротивлением 0,82-0,33 Ом получен параллельным соединением двух (трех) SMD резисторов  1,6 -1 Ом.

Конденсаторы С1, С2 – с малым ESR, С1 – керамический (или танталовый), С2 – танталовый. Величина этих конденсаторов указана минимальная и для светодиодов 3-5 Вт должна быть увеличина в 2-3 раза.

Печатная плата (размер 26 на 43 мм) показана на Рис.2. Выполнена на двухстороннем стеклотекстолите. Вторая сторона экран соединена с минусом питания.

Рис.2. Печатная плата (размер 26 на 43 мм)  вид с элементами.

Следующая схема Рис.3 предназначена для питания 5Вт светодиодов типа LUXEON V имеющих параметры:
Падение напряжения - 7В;
Номинальный ток – 0,7 А

Один такой светодиод можно заменить, например двумя 3Вт (с падением 3,6 В) включённых последовательно.

 Транзистор VT1: ZXTN25012EFH, FZT1049A

В качестве силового ключа можно использовать составной транзистор FMMT617 (BC847) + ZXTN2007G как показано на рис 3б.

Рис.3a Питание 5Вт светодиодов типа LUXEON V

Рис.3б Питание светодиодов типа LUXEON V с применением составного тарнзистора

Рис. 3в Собранная печатная плата с расположением элементов

Печатная плата (размер 26 на 43 мм) показана на Рис.4. Выполнена на двухстороннем стеклотекстолите. Вторая сторона экран соединена с минусом питания.

Рис.4. Печатная плата (26 на 43 мм),  вид с элементами для питания 5Вт светодиодов типа LUXEON V

Рассмотренные выше схемы относятся к повышающим преобразователям. Т.е. входное напряжение источника питания меньше, чем выходное, которое падает на светодиоде. А что делать когда надо запитать один светодиод 3,6 В от аккумулятора 6В?
Тогда используем схему Рис.5 простого понижающего  Step down converter.
И Рис.6 улучшенными характеристиками.

Рис.5 Простой понижающий  Step down converter.

Как мы помним у ZXSC400 верхний предел питания 8 В, поэтому для питания от 12В требуется простейший параметрический стабилизатор состоящий из резистора и стабилитрона.  На Рис. 8 показана схема понижающий  Step down converterа при питании от 12В.

Рис.8 Понижающий  Step down converter с питанием от 12В.

Рис. 8б вариант с использованием полевого n-канального транзистора

Управление световым потоком!

Как мы помним ZXSC400 имеет вывод STDT (вывод 3).  Подавая на этот вывод ШИМ (с частотой не менее 120 Гц) можно легко управлять яркостью светодиодов, а также вкл. или выкл. преобразователь.

На Рис.9 показаны варианты реализации этого на микроконтроллере ATtiny13 (далее МК) при различных напряжениях питания.

Алгоритм работы следующий: при кратковременном нажатии на кнопку SB1 на выводе 5 МК появляется высокий логический уровень, который поступает на  вывод STDT (вывод 3) ZXSC400 и тем самым разрешает работу на максимальной яркости. При втором нажатии яркость уменьшается до 60%, следующее нажатие - 35%, следующее - 5%, следующее - выкл. Выкл. можно произвести также длительным нажатием 3 сек. и удержанием кнопки SB1.
В данной схеме на МК возложена еще одна функция - контроль и сигнализация разряда аккумуляторов (элементов питания).  Делителем R1  и R2 задаётся порог срабатывания. При разряде аккумуляторов ниже этого порога – начинает мигать светодиод HL.
Резистор R1 вычисляется из формулы : R1= R2 (Uср -1)
Где R2 =10 кОм,  Uср – напряжение срабатывания (пороговое напряжение)

Например нам надо отследить напряжение 3 В (разряд трёх аккумуляторов)
R1= R2 (Uср -1) = 10кОм (3-1) = 20 кОм
Если контроль питания не требуется то элементы R1, R2, HL можно не устанавливать, но вывод 3 МК (вход АЦП) соединить с выводом 8 через резистор 10кОм.

Варианты печатных плат и расположение элементов показаны на Рис.10а, Рис.10б

Рис. 10а