Сучасні потужні світлодіоди відмінно походять для організації яскравого і ефективного освітлення. Деяку складність становить харчування таких світлодіодів - потрібні потужні джерела постійного струму і токостабілізірующіе драйвера. Разом з тим, в будь-якому приміщенні є розетка зі змінним напругою в 220В. І, звичайно ж, дуже хотілося б організувати роботу потужних світлодіодів від мережі з мінімальними витратами. Немає нічого неможливого - давайте розглянемо схему драйвера для світлодіода від мережі 220В.
Перш ніж почнемо обговорювати конкретні схеми, хотілося б нагадати, що робота буде вестися з потенційно небезпечним для життя змінною напругою 220В. Розробка і розрахунок схеми зажадають хоча б спільного розуміння що відбуваються електричних процесів, ймовірність того, що при здійсненні помилки ви можете отримати збитки або пошкодження, дуже висока. Ми категорично не схвалюємо проведення робіт з високою напругою, якщо ви відчуваєте себе невпевнено і не несемо відповідальності за можливі збитки і пошкодження, які ви можете отримати в процесі роботи над пропонованими схемами. Насправді, цілком можливо, що простіше і дешевше буде придбати і використовувати вже готовий драйвер або навіть світильник цілком. Вибір за вами.
Зазвичай падіння напруги на світлодіоді становить від 3 до 30В. Різниця з мережевим напругою в 220В дуже велика, тому що знижує драйвер, безумовно, буде імпульсним. Є кілька спеціалізованих мікросхем для виготовлення таких драйверів - HV9901, HV9961, CPC9909. Всі вони дуже схожі і від інших мікросхем відрізняються тим, що мають дуже широкий діапазон допустимого вхідного напруги - від 8 до 550В - і дуже високий ККД - до 85-90%. Проте, передбачається, що загальне падіння напруги на світлодіодах в готовому пристрої буде становити не менше 10-20% від напруги джерела живлення. Не варто пробувати живити від 220В, наприклад, один-два 3-6-ти вольтів світлодіода. Навіть якщо вони не згорять відразу, ККД схеми буде низьким.
Розглянемо драйвер на базі мікросхеми CPC9909 , Оскільки вона новіше інших і цілком доступна. Взагалі, всі зазначені мікросхеми взаємозамінні і сумісні попіново (але потрібно перерахувати параметри дроселя і резисторів).
Базова схема драйвера наступна:
Схема драйвера для світлодіодів на базі мікросхеми CPC9909
Змінна напруга мережі необхідно попередньо випрямити, для цього використовується діодний міст. C1 і C2 - згладжують конденсатори. C1 - електроліт ємністю 22мкФ і напругою 400В (при використанні мережі 220В), C2 - керамічний конденсатор ємністю 0,1мкФ, 400В. Конденсатор С1 - кераміка 0,1мкФ, 25В. Мікросхема CPC9909 в процесі роботи генерує імпульси, які відкривають і закривають силовий транзистор Q1, тим самим керуючи перебігом струму через світлодіоди. Частота перемикання, індуктивність дроселя L, параметри мосфети Q1 і діода D1 тісно взаємопов'язані і залежать від необхідного падіння напруги на світлодіодах, їх робочому струмі. Давайте спробуємо розрахувати потрібні параметри ключових деталей схеми на конкретному прикладі.
У мене є могутній світлодіод. 50 ват потужності, напруга 30-36В, робочий струм до 1.4а. 4-5 ТИСЯЧ люменів! Потужність світла непоганого прожектора.
COB cветодіод 50 ват
Для охолодження я за допомогою термопасти і суперклею посадив його на кулер від відеокарти.
Максимальний струм світлодіода обмежимо 1А. значить
ILED = 1А
Падіння напруги на світлодіодах -
VLED = 30
Пульсацію струму приймемо рівної + -15%:
ID = 1 * 0.15 * 2 = 0.3A
При напрузі мережі змінного струму в 220В напруга після випрямного моста і згладжують конденсаторів складе
VIN = 310В
Струм драйвера регулюється резистором Rs, опір якого розраховується за формулою
Rs = 0.25 / ILED = 0.25 / 1 = 0.25 Ом.
Використовуємо резистор 0.5W 0.22 Ом в SMD-корпусі 2512:
Rs = 0.22 Ом,
що дасть струм 1.1А. При такому струмі резистор будуть розсіювати приблизно 0.2Вт тепла і особливо грітися не буде.
Мікросхема CPC9909 генерує імпульси. Загальна тривалість імпульсу складається з часу "високого рівня", коли мосфети відкритий і тривалості паузи, коли транзистор закритий. Жорстко зафіксувати ми можемо тільки тривалість паузи. За неї відповідає резистор Rt. Його опір розраховується за формулою:
Rt = (tp - 0.8) * 66, де tp - пауза в мікросекундах. Опір Rt виходить в кілоомах.
Тривалість "високого рівня" - це час, за який робітник струм досягне необхідного значення - регулюється мікросхемою CPC9909. Штатний діапазон частот знаходиться в межах 30-120КГц. Причому, чим вище буде частота, тим менша індуктивність дроселя в результаті буде потрібно. Але тим більше буде грітися силовий транзистор. Оскільки індуктивність дроселя (і пов'язані з нею його габарити) для нас важливіше, будемо намагатися триматися верхній частині допустимого діапазону частот.
Давайте розрахуємо допустимий час паузи. Ставлення тривалості "високого рівня" до загальної тривалості імпульсу - шпаруватість імпульсу - розраховується за формулою:
D = VLED / VIN = 30/310 = 0.097
Частота перемикань розраховується так:
F = (1 - D) / tp, а значить tp = (1 - D) / F
Нехай частота дорівнюватиме 90КГц. В цьому випадку
tp = (1 - 0.097) / 90 000 = 10мкс
Відповідно, потрібно опір резистора Rt
Rt = (10 - 0.8) * 66 = 607.2КОм
Найближчий доступний номінал - 620КОм. Підійде будь-який резистор з таким опором, бажано з точністю 1%. Уточнюємо час паузи з резистором номіналом 620КОм:
tp = Rt / 66 + 0.8 = 620/66 + 0.8 = 10.19мкс
Мінімальна індуктивність дроселя L розраховується за формулою
Lmin = (VLED * tp) / ID
Використовуючи уточнене значення tp, отримуємо
Lmin = (30 * 10.19) / 0.3 = 1мГн
Робочий струм дроселя, при якому він гарантовано не повинен входити в насичення - 1.1 + 15% = 1.3а. Краще взяти з полуторним запасом. Тобто Проте 2А.
Готового дроселя з такими параметрами в продажу я не знайшов. Потрібно робити самому. Взагалі розрахунок котушок індуктивності - це велика окрема тема. Тут же я лише залишу посилання на ґрунтовну працю Кузнєцова А. "Трансформатори та дроселі для імпульсних джерел живлення".
Я використовував дросель, випаяний з неробочого баласту звичайної енергозберігаючої лампи. Його індуктивність 2мГн, в осерді виявився зазор близько 1мм. Вважаємо робочий струм, отримуємо до 1.3 - 1.5А. Малувато, але для тестової збірки піде.
Залишилися силовий транзистор і діод. Тут простіше - обидва повинні бути розраховані на напругу не менше 400В і струм від 4-5А. Швидкий діод Шотткі може бути, наприклад, таким - STTH5R06. Мосфети повинен бути N-канальним. Для нього вкрай важливо мінімальний опір у відкритому стані і мінімальний заряд затвора - менш 25нКл. Прекрасний вибір на потрібний нам ток - FDD7N60NZ . У корпусі DPAK і з током до 1А грітися він особливо не буде. Можна буде обійтися без радіатора.
При розведенні друкованої плати потрібно приділити увагу довжині провідників і правильному розташуванню «землі». Провідник між CPC9909 і затвором польового транзистора повинен бути якомога коротшим. Це саме можна сказати і до провідника від сенсорного резистора. Площа «землі» повинна бути якомога більше. Дуже бажано один шар друкованої плати повністю розвести на землю. Резистор Rt потрібно подалі від індуктивності та інших провідників, які працюють на високих частотах.
Висновок LD мікросхеми може бути використаний для плавного регулювання яскравості світіння світлодіода, висновок PWMD - для дімірованія за допомогою ШІМ.
Ось приклади з технічної документації, які це реалізують.
Схема плавного регулювання яскравості світлодіодів.
На цій схемі сила струму, а відповідно, і яскравість світлодіодів плавно регулюється від нуля до 350мА змінним резистором RA1. Також на схемі присутні номінали і назви ключових елементів для живлення лінійки яскравих світлодіодів струмом до 350мА.
Схема, яка передбачає управління яскравістю за допомогою ШІМ, виглядає так:
Схема регулювання яскравості світлодіодів за допомогою ШІМ
Допустима частота діммірованія - до 500Гц. Зверніть увагу на дуже бажану електричну розв'язку генератора регулюють імпульсів (зазвичай, це мікроконтролер) і силової частини схеми. Розв'язка виконана за допомогою використання оптопари.
Я зібрав схему з плавним регулюванням змінним резистором. Вийшла плата 60х30мм.
Плата драйвера для світлодіода від мережі 220В
Драйвер заробив відразу і так як потрібно. Змінним резистором струм регулюється від 0.1 до розрахункових 1.1А. Вентилятор кулера де встановлений світлодіод живиться від 3-х вольт. Обертається зовсім без звуку, при цьому радіатор гріється слабо. На платі після 5-ти тестових хвилин роботи на максимальному струмі градусів до 50С нагрівся дросель. Його робочого струму, як і очікувалося, виявилося замало. Також помітно гріється польовий транзистор. Інші деталі гріються незначно.
Серце майбутнього потужного світильника в тестовий запуск
Розводку плати в програмі Sprint-Layout 6.0 можна взяти тут.
Через якийсь час світлодіод з драйвером зайняли своє робоче місце в освітленні акваріума. Працюють по 15 годин на день при струмі 0.7А. Світла для акваріума об'ємом в 140 літрів, на мій погляд, цілком достатньо. Радіатор забезпечив термістором і простенької схемою - кулер включається автоматично і охолоджує всю конструкцію.
Драйвер для світлодіода від мережі 220В вимагає уваги при проектуванні і збірці. Повторюся - напруга 220В небезпечно для життя, а на схемі драйвера практично всі деталі знаходяться під цим і великою напругою.
Проте, при акуратній збірці вийде досить мініатюрний і ефективний драйвер, здатний живити від мережі побутової мережі 220В один або кілька потужних світлодіодів.
Більше про схемах драйверів для світлодіодів читайте в статті "Саморобний драйвер для потужних світлодіодів" .