Vysoce výkonné obvody LED: 12 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:24

Vysoce výkonné LED diody: budoucnost osvětlení!

ale … jak je používáte? kde je máš? 1W a 3W výkonové LED diody jsou nyní široce dostupné v rozmezí 3 až 5 $, takže v poslední době pracuji na řadě projektů, které je používají. při tom mi vadilo, že jediné možnosti, o kterých kdokoli hovoří pro řízení LED diod, jsou: (1) odpor nebo (2) opravdu drahý elektronický gizmo. Nyní, když LED stojí 3 USD, je špatné platit 20 USD za zařízení, které je bude řídit! Vrátil jsem se tedy ke své knize „Analog Circuits 101“a zjistil jsem několik jednoduchých obvodů pro LED diody napájení, které stály pouze 1 $ nebo 2 $. Tento návod vám poskytne podrobný popis všech různých typů obvodů pro napájení velkých LED diod, vše od rezistorů po spínané zdroje, se všemi tipy ke všem z nich a samozřejmě poskytne mnoho podrobností o mé nové jednoduché energii. Obvody ovladače LED a kdy/jak je používat (a zatím mám 3 další instruktážní instrukce, které tyto obvody používají). Některé z těchto informací jsou docela užitečné i pro malé LED diody, zde jsou mé další instrukce k napájení LED, podívejte se na ně pro další poznámky a nápady Tento článek vám přináší MonkeyLectric a Monkey Light bike light.

Krok 1: Přehled / Díly

Existuje několik běžných způsobů napájení LED diod. Proč všechen ten povyk? Snižuje se to na: 1) LED diody jsou velmi citlivé na napětí používané k jejich napájení (tj. Proud se hodně mění s malou změnou napětí) 2) Požadované napětí se trochu změní, když je LED dioda zahřátá nebo studený vzduch a také v závislosti na barvě LED a výrobních podrobnostech. Existuje tedy několik běžných způsobů, kterými jsou LED diody obvykle napájeny, a v následujících krocích projdu každou z nich.

Díly Tento projekt ukazuje několik obvodů pro diody LED hnacího výkonu. pro každý z obvodů, které jsem v příslušném kroku zaznamenal, součásti, které jsou potřeba, včetně čísel dílů, která najdete na www.digikey.com. aby se předešlo hodně duplicitnímu obsahu, tento projekt pojednává pouze o konkrétních obvodech a jejich výhodách a nevýhodách. Chcete -li se dozvědět více o montážních technikách a zjistit čísla dílů LED a kde je můžete získat (a další témata), nahlédněte do jednoho z mých dalších projektů LED napájení.

Krok 2: Údaje o výkonu kontrolky LED - praktická referenční tabulka

Níže jsou uvedeny některé základní parametry LED Luxeon, které použijete pro mnoho obvodů. Čísla z této tabulky používám v několika projektech, takže je všechny uvádím na jedno místo, na které mohu snadno odkazovat. Deluxeon 1 a 3 bez proudu (vypínací bod): bílá/modrá/zelená/ azurová: pokles 2,4 V (= "dopředné napětí LED") červená/oranžová/jantarová: pokles 1,8 V /jantar: 2,7V poklesLuxeon-1 s proudem 800mA (přes specifikace): všechny barvy: 3,8V poklesLuxeon-3 s proudem 300mA: bílý/modrý/zelený/azurový: 3,3V dropred/oranžový/oranžový: 2,5V poklesLuxeon-3 s 800mA proud: bílý/modrý/zelený/azurový: 3,8V dropred/oranžový/jantarový: pokles 3,0V (poznámka: moje testy nesouhlasí se specifikačním listem) Luxeon-3 s proudem 1200mA: červený/oranžový/jantarový: pokles 3,3V (pozn.: mé testy nesouhlasí se specifikačním listem) Typické hodnoty pro běžné „malé“LED diody s 20mA jsou: červená/oranžová/žlutá: 2,0 V dropgreen/azurová/modrá/fialová/bílá: pokles 3,5 V

Krok 3: Přímá energie

Proč jednoduše nepřipojíte baterii přímo k LED? Vypadá to tak jednoduše! Co je za problém? Mohu to někdy udělat? Problémem je spolehlivost, konzistence a robustnost. Jak již bylo zmíněno, proud přes LED je velmi citlivý na malé změny napětí na LED a také na teplotu okolí LED a také na výrobní odchylky LED. Když tedy jednoduše připojíte LED k baterii, máte jen malou představu o tom, jak velkým proudem prochází. „ale co, rozsvítilo se, že?“. OK Jistě. v závislosti na baterii můžete mít příliš mnoho proudu (LED se velmi zahřívá a rychle hoří) nebo příliš málo (LED je slabá). dalším problémem je, že i když je dioda LED správně připojena, když ji poprvé připojíte, pokud ji přenesete do nového prostředí, které je teplejší nebo chladnější, buď ztmavne nebo se příliš rozzáří a spálí, protože dioda LED má velmi vysokou teplotu citlivý. variabilita výroby může také způsobit variabilitu. Možná si to všechno přečtete a říkáte si: „no a co!“. pokud ano, poplužte dopředu a připojte se přímo k baterii. pro některé aplikace to může být cesta.- Shrnutí: používejte pouze pro hacky, neočekávejte, že budou spolehlivé nebo konzistentní, a očekávejte, že během cesty spálíte některé LED diody.- Jeden slavný hack, který tuto metodu zavádí k mimořádně dobrému použití je LED Throwie. Poznámky:- pokud používáte baterii, bude tato metoda fungovat nejlépe s * malými * bateriemi, protože malá baterie funguje, jako by v sobě měla vnitřní odpor. to je jeden z důvodů, proč LED Throwie funguje tak dobře.-pokud to skutečně chcete udělat pomocí LED napájení, nikoli 3 centů LED, zvolte napětí baterie tak, aby LED nebyla na plný výkon. to je další důvod, proč LED Throwie funguje tak dobře.

Krok 4: Pokorný odpor

Toto je zdaleka nejpoužívanější způsob napájení LED. Stačí zapojit odpor do série s vašimi LED diodami. Výhody:- toto je nejjednodušší metoda, která funguje spolehlivě- má pouze jednu část- náklady na haléře (ve skutečnosti méně než cent na množství) nevýhody:- není příliš efektivní. musíte vyměnit zbytečnou energii proti konzistentnímu a spolehlivému jasu LED. pokud v rezistoru ztrácíte méně energie, získáte méně konzistentní výkon LED.- musíte změnit odpor, abyste změnili jas LED- pokud výrazně změníte napájení nebo napětí baterie, musíte znovu změnit odpor.

Jak na to: Existuje spousta skvělých webových stránek, které již tuto metodu vysvětlují. Obvykle chcete zjistit:- jakou hodnotu odporu použít- jak zapojit vaše LED do série nebo paralelně Existují dva dobré „LED kalkulačky“, které jsem zjistil, že vám umožní zadat specifikace LED a napájecího zdroje a oni navrhněte kompletní sérii/paralelní obvod a odpory pro vás! https://led.linear1.org/led.wizhttps://metku.net/index.html? sect = view & n = 1 & path = mods/ledcalc/index_engPři používání těchto webových kalkulačky, použijte Power LED Data Handy Reference Chart pro aktuální a napěťová čísla, o která vás kalkulačka požádá. pokud používáte rezistorovou metodu s výkonovými LED, budete rychle chtít získat spoustu levných výkonových odporů! zde jsou některé levné z digikey: "Yageo SQP500JB" jsou série 5 wattů odporů.

Krok 5: $ čarodějnické regulátory

Přepínací regulátory, neboli převodníky „DC-to-DC“, „buck“nebo „boost“, jsou fantastickým způsobem napájení LED. dělají všechno, ale jsou drahé. co přesně „dělají“? spínací regulátor může buď snížit („buck“) nebo zvýšit („boost“) vstupní napětí napájecího zdroje na přesné napětí potřebné k napájení LED diod. na rozdíl od rezistoru neustále monitoruje proud LED a přizpůsobuje se tak, aby byl konstantní. To vše s 80-95% energetickou účinností, bez ohledu na to, o kolik jde o snížení nebo zvýšení. Výhody:-konzistentní výkon LED pro širokou škálu LED a napájení-vysoká účinnost, obvykle 80-90% pro boost měniče a 90-95% pro buck převodníky-mohou napájet LED diody jak z nižších, tak z vyšších napájecích zdrojů (step-up nebo step-down)-některé jednotky mohou upravovat jas LED-jsou k dispozici a snadno dostupné jednotky určené pro power-LED to useCons:- složité a drahé: obvykle asi 20 $ za zabalenou jednotku. - výroba vlastního vyžaduje několik dílů a dovednosti elektrotechniky.

Jedním z běžných zařízení navržených speciálně pro napájení LED je Buckpuck od LED Dynamics. Jeden z nich jsem použil ve svém projektu světlometů s výkonným LED a byl jsem s ním docela spokojený. tato zařízení jsou k dispozici ve většině webových obchodů LED.

Krok 6: Nové věci !! Zdroj konstantního proudu #1

pojďme k novým věcem! První sada obvodů jsou všechny malé variace na super jednoduchý zdroj konstantního proudu. Výhody:- konzistentní výkon LED s jakýmkoli napájecím zdrojem a LED diodami- stojí asi 1 $- pouze 4 jednoduché části k připojení- účinnost může být přes 90% (při správné volbě LED a napájení)- zvládne SPOUSTU výkonu, 20 A nebo více žádný problém.- nízké „výpadky“- vstupní napětí může být až o 0,6 voltu vyšší než výstupní napětí.- super široký provozní rozsah: mezi vstupy 3 V a 60 V Nevýhody:- pro změnu jasu LED je třeba změnit odpor- při špatné konfiguraci může ztrácet tolik energie jako metoda odporu- musíte si ji postavit sami (oh, počkejte, to by mělo být „pro“).- proudový limit se trochu mění s okolní teplotou (může být také „pro“). Abych to shrnul: tento obvod funguje stejně dobře jako krokový spínací regulátor, jediným rozdílem je že nezaručuje 90% účinnost. na straně plus to stojí jen 1 $.

Nejprve nejjednodušší verze: „Nízký nákladový zdroj konstantního proudu #1“Tento obvod je uveden v mém jednoduchém světelném projektu napájeném ledem. Jak to funguje?- Jako variabilní odpor je použit Q2 (výkonový NFET). Začíná Q2 zapnutý R1.- Q1 (malý NPN) se používá jako spínač snímání nadproudu a R3 je „snímací odpor“nebo „nastavený odpor“, který spouští Q1, když protéká příliš mnoho proudu.- hlavní proud proudí přes LED diody, přes Q2 a přes R3. Když přes R3 protéká příliš mnoho proudu, začne se zapínat Q1, který začne vypínat Q2. Vypnutí Q2 snižuje proud LED a R3. Vytvořili jsme tedy „smyčku zpětné vazby“, která nepřetržitě monitoruje proud LED a udržuje jej vždy přesně na nastavené hodnotě. tranzistory jsou chytré, co!- R1 má vysoký odpor, takže když se Q1 začne zapínat, snadno přemůže R1- Výsledkem je, že Q2 funguje jako odpor a jeho odpor je vždy perfektně nastaven tak, aby byl proud LED správný. Přebytečný výkon je spálen ve 2. čtvrtletí. Abychom tedy dosáhli maximální účinnosti, chceme nakonfigurovat náš řetězec LED tak, aby byl blízko napětí napájecího zdroje. Bude to fungovat dobře, pokud to neuděláme, budeme jen plýtvat energií. toto je opravdu jediná nevýhoda tohoto obvodu ve srovnání s redukčním spínacím regulátorem! nastavení proudu! hodnota R3 určuje nastavený proud. Výpočty:- proud LED je přibližně stejný: 0,5 / výkon R3- R3: výkon rozptylovaný odporem je přibližně: 0,25 / R3. zvolte hodnotu rezistoru alespoň 2x vypočtenou, aby se rezistor nespálil. takže pro proud 700mA LED: R3 = 0,5 / 0,7 = 0,71 ohmu. nejbližší standardní odpor je 0,75 ohmů. Výkon R3 = 0,25 / 0,71 = 0,35 wattů. budeme potřebovat alespoň 1/2 wattový jmenovitý odpor. Použité součásti: R1: malý (1/4 wattový) odpor přibližně 100 kOhm (například: řada Yageo CFR-25JB) R3: velký (1 watt+) proudový set odpor. (dobrá 2wattová volba je: řada Panasonic ERX-2SJR) Q2: velký (balíček TO-220) FET na logické úrovni N-kanálu (například: Fairchild FQP50N06L) Q1: malý (balíček TO-92) NPN tranzistor (jako: Fairchild 2N5088BU) Maximální limity: jediný skutečný limit pro proudový zdrojový obvod stanoví NFET Q2. Q2 omezuje obvod dvěma způsoby: 1) ztrátový výkon. Q2 funguje jako variabilní odpor, který snižuje napětí z napájecího zdroje, aby odpovídal potřebě LED diod. takže Q2 bude potřebovat chladič, pokud je vysoký proud LED nebo pokud je napětí zdroje energie mnohem vyšší než napětí řetězce LED. (Výkon Q2 = pokles napětí * proud LED). Q2 zvládne pouze 2/3 wattů, než budete potřebovat nějaký chladič. s velkým chladičem tento obvod zvládne VELKÝ výkon a proud - pravděpodobně 50 wattů a 20 ampérů s tímto přesným tranzistorem, ale pro větší výkon stačí zapojit více tranzistorů paralelně.2) napětí. pin „G“na Q2 je dimenzován pouze na 20 V as tímto nejjednodušším obvodem, který omezí vstupní napětí na 20 V (řekněme 18 V pro jistotu). pokud používáte jiný NFET, nezapomeňte zkontrolovat hodnocení „Vgs“. teplotní citlivost: aktuální požadovaná hodnota je poněkud citlivá na teplotu. je to proto, že Q1 je spouštěč a Q1 je tepelně citlivý. část nuber i specifikovaná výše je jednou z nejméně tepelně citlivých NPN, které jsem mohl najít. přesto můžete očekávat snížení aktuální žádané hodnoty o 30% od -20 ° C do +100 ° C. to může být požadovaný efekt, mohlo by to zachránit vaše Q2 nebo LED před přehřátím.

Krok 7: Vylepšení zdroje konstantního proudu: č. 2 a č. 3

tyto mírné úpravy na obvodu č. 1 řeší omezení napětí prvního obvodu. pokud chceme použít zdroj energie větší než 20 V, musíme udržovat bránu NFET (pin G) pod 20 V. ukázalo se, že to také chceme udělat, abychom mohli tento obvod propojit s mikrokontrolérem nebo počítačem.

v obvodu #2 jsem přidal R2, zatímco v #3 jsem nahradil R2 Z1, zenerovou diodou. obvod č. 3 je nejlepší, ale zahrnul jsem č. 2, protože je to rychlý hack, pokud nemáte správnou hodnotu zenerovy diody. chceme nastavit napětí G -pinu na přibližně 5 voltů - použijte zenerovou diodu 4,7 nebo 5,1 V (například: 1N4732A nebo 1N4733A) - jakákoli nižší a Q2 nebude možné zapnout úplně, vyšší a nebude fungovat s většinou mikrokontrolérů. pokud je vaše vstupní napětí nižší než 10 V, přepněte R1 na odpor 22 kOhm, zenerova dioda nefunguje, pokud přes ni neprochází 10uA. po této úpravě obvod zvládne 60V s uvedenými částmi a v případě potřeby snadno najdete Q2 s vyšším napětím.

Krok 8: Malý mikroskop dělá rozdíl

Co teď? připojte k mikrořadiči, PWM nebo počítači! nyní máte plně digitálně ovládané vysoce výkonné LED světlo. Výstupní kolíky mikrořadiče jsou obvykle dimenzovány pouze na 5,5 V, proto je důležitá zenerova dioda. váš mikrořadič je 3,3 V nebo méně, musíte použít obvod č. 4 a nastavit výstupní kolík mikrokontroléru na „otevřený kolektor“-což umožňuje mikroprocesoru strhnout kolík, ale nechá jej zatáhnout odpor R1 až 5 V, což je potřeba k úplnému zapnutí Q2. pokud je váš mikro 5V, pak můžete použít jednodušší obvod č. 5, zbavit se Z1, a nastavit výstupní kolík mikro na normální režim pull-up/pull-down - 5V mikro může samo zapnout Q2 v pohodě. víte, že máte připojený PWM nebo mikro, jak vytvoříte digitální ovládání světla? Chcete-li změnit jas svého světla, „PWM“jej: rychle zapnete a vypnete (200 Hz je dobrá rychlost) a změníte poměr zapnutí a vypnutí. to lze provést pouze několik řádků kódu v mikrořadiči. Chcete -li to provést pouze pomocí čipu '555', zkuste tento obvod. použít tento obvod zbavit se M1, D3 a R2 a jejich Q1 je naše Q2.

Krok 9: Další metoda stmívání

ok, takže možná nechcete používat mikrokontrolér? zde je další jednoduchá modifikace na "obvodu č. 1"

nejjednodušší způsob, jak ztlumit diody LED, je změnit aktuální požadovanou hodnotu. takže změníme R3! jak je uvedeno níže, přidal jsem R4 a přepínač paralelně s R3. takže při otevřeném spínači je proud nastaven R3, při sepnutém spínači je proud nastaven novou hodnotou R3 paralelně s R4 - více proudu. takže nyní máme „vysoký výkon“a „nízký výkon“- ideální pro baterku. možná byste chtěli dát číselník s proměnným odporem pro R3? bohužel je nedělají v tak nízké hodnotě odporu, takže k tomu potřebujeme něco trochu komplikovanějšího. (viz obvod č. 1 pro výběr hodnot komponent)

Krok 10: Analogově nastavitelný ovladač

Tento obvod vám umožňuje mít nastavitelný jas, ale bez použití mikrokontroléru. Je plně analogový! stojí to o něco více - asi 2 dolary nebo 2,50 dolaru celkem - doufám, že vám to nebude vadit. Hlavní rozdíl je v tom, že NFET je nahrazen regulátorem napětí. regulátor napětí snižuje vstupní napětí podobně jako NFET, ale je navržen tak, aby jeho výstupní napětí bylo nastaveno poměrem mezi dvěma odpory (R2+R4 a R1). Obvod omezující proud funguje stejným způsobem jako dříve, v tomto případě snižuje odpor přes R2, snižuje výstup regulátoru napětí. Tento obvod vám umožňuje nastavit napětí na LED diodách na libovolnou hodnotu pomocí číselníku nebo posuvníku, ale také omezuje proud LED jako dříve nemůžete otočit číselník za bezpečný bod. Tento obvod jsem použil v projektu RGB Color Controlled Room/Spot osvětlení. Podívejte se prosím na výše uvedený projekt ohledně čísel dílů a výběru hodnoty odporu. tento obvod může pracovat se vstupním napětím od 5V až 28 V a proud až 5 A (s chladičem na regulátoru)

Krok 11: * Ještě jednodušší * aktuální zdroj

ok, takže se ukazuje, že existuje ještě jednodušší způsob, jak vytvořit zdroj konstantního proudu. důvod, proč jsem to nedal na první místo, je, že má také alespoň jednu významnou nevýhodu.

Tenhle nepoužívá tranzistor NFET ani NPN, má jen jeden regulátor napětí. Ve srovnání s předchozím „jednoduchým zdrojem proudu“využívajícím dva tranzistory má tento obvod: - ještě méně částí. - mnohem vyšší "výpadek" 2,4V, což výrazně sníží účinnost při napájení pouze 1 LED. pokud napájíte řetězec 5 LED, možná to není tak velký problém. - beze změny aktuální žádané hodnoty při změnách teploty - menší proudová kapacita (5 A - stále dost pro mnoho LED)

jak jej použít: odpor R3 nastavuje proud. vzorec je: LED proud v ampérech = 1,25 / R3, takže pro proud 550mA, nastavte R3 na 2,2 ohmů, budete obvykle potřebovat napájecí odpor, výkon R3 ve wattech = 1,56 / R3, tento obvod má také tu nevýhodu, že jediný způsob, jak jej použít s mikrořadičem nebo PWM, je zapnout a vypnout celou věc pomocí výkonového FET. a jediný způsob, jak změnit jas LED, je změnit R3, viz předchozí schéma pro „obvod #5“, který ukazuje přidání spínače nízkého/vysokého výkonu do pinoutu regulátoru: ADJ = pin 1 OUT = pin 2 IN = kolík 3 části: regulátor: buď kondenzátor LD1585CV nebo LM1084IT-ADJ: kondenzátor 10u až 100u, 6,3 voltů nebo vyšší (například: odpor Panasonic ECA-1VHG470): minimální odpor 2 wattů (například: řada Panasonic ERX-2J) můžete to postavit téměř s jakýmkoli lineárním regulátorem napětí, dva uvedené mají dobrý obecný výkon a cenu. klasický „LM317“je levný, ale výpadek je ještě vyšší - v tomto režimu celkem 3,5 voltů. nyní existuje mnoho regulátorů pro povrchovou montáž s extrémně nízkými výpadky pro použití při nízkém proudu, pokud potřebujete napájet 1 LED z baterie, může to stát za pozornost.

Krok 12: Haha! Existuje ještě jednodušší způsob

Je mi trapné říct, že mě tato metoda nenapadla, dozvěděl jsem se o ní, když jsem rozebral baterku, která měla uvnitř vysokou LED diodu.

-------------- Zapojte do své LED diody odpor PTC (aka "resetovatelná pojistka PTC"). Páni.není to jednodušší. -------------- OK. Ačkoli je tato metoda jednoduchá, má některé nevýhody: - Vaše řídicí napětí může být jen o málo vyšší než napětí LED „zapnuto“. Důvodem je, že pojistky PTC nejsou navrženy tak, aby se zbavily velkého množství tepla, takže musíte udržovat pokleslé napětí na PTC poměrně nízké. můžete trochu přilepit ptc na kovovou desku. - Svou LED nebudete moci řídit na maximální výkon. Pojistky PTC nemají příliš přesný „vypínací“proud. Obvykle se liší od jmenovitého vypínacího bodu faktorem 2. Takže pokud máte LED, která potřebuje 500mA, a dostanete PTC s hodnocením 500mA, skončíte s kdekoli od 500mA do 1000mA - není pro LED bezpečné. Jediná bezpečná volba PTC je trochu podhodnocena. Získejte 250mA PTC, pak váš nejhorší případ je 500mA, který LED zvládne. ----------------- Příklad: Pro jednu LED dimenzovanou na 3,4 V a 500 mA. Připojte sériově s PTC o hodnotě přibližně 250 mA. Řídicí napětí by mělo být asi 4,0 V.