Светодиодные драйверы своими руками. Алгоритм поиска неисправности в драйвере LED лампы или Эркюль Пуаро отдыхает

Светодиоды продолжают форсировать очередные рубежи в мире искусственного освещения, подтверждая своё превосходство целым рядом преимуществ. Большая заслуга в успешном развитии LED-технологий принадлежит источникам питания. Работая в тандеме, драйвер и светодиод открывают новые горизонты, гарантируя потребителю стабильную яркость и заявленный срок службы.

Что собой представляет светодиодный драйвер, и какая функциональная нагрузка на него возложена? На что обратить внимание при выборе и есть ли альтернатива? Попробуем разобраться.

Что такое драйвер для светодиода и для чего он нужен?

Выражаясь по-научному, LED-драйвером называют электронное устройство, основным выходным параметром которого является стабилизированный ток. Именно ток, а не напряжение. Устройство со стабилизацией напряжения принято именовать «блоком питания» с указанием номинального выходного напряжения. Его используют для запитки светодиодных лент, модулей и LED-линеек. Но речь пойдет не о нём.

Главный электрический параметр драйвера для светодиода – выходной ток, который он может длительно обеспечивать при подключении соответствующей нагрузки. В роли нагрузки выступают отдельные светодиоды или сборки на их основе. Для стабильного свечения необходимо, чтобы через кристалл светодиода протекал ток, указанный в паспортных данных. В свою очередь, напряжение на нём упадёт ровно столько, сколько потребуется p-n переходу при данном значении тока. Точные значения протекающего тока и прямого падения напряжения можно определить из вольта-мперной характеристики (ВАХ) полупроводникового прибора. Питание драйвер получает, как правило, от постоянной сети 12 В или переменной сети 220 В. Его выходное напряжение указывается в виде двух крайних значений, между которыми гарантируется стабильная работа. Как правило, рабочий диапазон может быть от трёх вольт до нескольких десятков вольт. Например, драйвер с U вых =9-12 В, I вых =350 мА, как правило, предназначен для последовательного подключения трёх белых светодиодов мощностью 1 Вт. На каждом элементе упадёт примерно 3,3 В, что в сумме составит 9,9 В, а значит это попадает в указанный диапазон.

К стабилизатору с разбросом напряжений на выходе 9-21 В и током 780 мА можно подключить от трех до шести светодиодов по 3 Вт каждый. Такой драйвер считается более универсальным, но имеет меньший КПД при включении с минимальной нагрузкой.

Немаловажным параметром светодиодного драйвера является мощность, которую он может отдать в нагрузку. Не стоит пытаться выжать из него максимум. Особенно это касается радиолюбителей, которые мастерят последовательно-параллельные цепочки из светодиодов с выравнивающими резисторами, а потом этой самодельной матрицей перегружают выходной транзистор стабилизатора.

Электронная часть драйвера для светодиода зависит от многих факторов:

• входных и выходных параметров;
• класса защиты;
• применяемой элементной базы;
• производителя.

Современные драйверы для светодиодов изготавливают по принципу ШИМ-преобразования и с помощью специализированных микросхем. Широтно-импульсные преобразователи состоят из импульсного трансформатора и схемы стабилизации тока. Они питаются от сети 220 В, имеют высокий КПД и защиту от короткого замыкания и перегрузки.

Драйверы на базе одной микросхемы более компактны, так как рассчитаны на питание от низковольтного источника постоянного тока. Они также обладают высоким КПД, но их надёжность ниже из-за упрощенной электронной схемы. Такие устройства очень востребованы при светодиодном тюнинге автомобиля. В качестве примера можно назвать ИМС PT4115, о готовом схемотехническом решении на основе этой микросхемы можно прочесть в .

Критерии выбора

Сразу хочется отметить, что резистор – это не альтернатива драйверу для светодиода. Он никогда не защитит от импульсных помех и перепадов в питающей сети. Любое изменение входного напряжения пройдёт через резистор и приведет к скачкообразному изменению тока из-за нелинейности ВАХ светодиода. Драйвер, собранный на базе линейного стабилизатора – тоже не лучший вариант. Низкая эффективность сильно ограничивает его возможности.

Выбирать LED-драйвер нужно только после того, как будет точно известно количество и мощность подключаемых светодиодов.

Помните! Чипы одного типоразмера могут иметь различную мощность потребления ввиду большого количества подделок. Поэтому старайтесь приобретать светодиоды только в проверенных магазинах.

Касаемо технических параметров, то на корпусе LED-драйвера обязательно должно быть указано:

• мощность;
• рабочий диапазон входного напряжения;
• рабочий диапазон выходного напряжения;
• номинальный стабилизированный ток;
• степень защиты от влаги и пыли.

Очень привлекательны бескорпусные драйверы с питанием от 12 В и 220 В. Среди них существуют разные модификации, в которых можно подключать как один, так и несколько мощных светодиодов. Такие устройства удобны для проведения лабораторных исследований и экспериментов. Для домашнего использования всё равно придётся поместить изделие в корпус. В итоге денежная экономия на плате драйвера открытого типа достигается в ущерб надежности и эстетики.

Кроме подбора драйвера для светодиода по электрическим параметрам, потенциальный покупатель должен четко представлять условия его будущей эксплуатации (место размещения, температура, влажность). Ведь оттого, где и как будет установлен драйвер, зависит надёжность всей системы.

Читайте так же

Драйвер для светодиодного светильника - важнейший элемент схемы, обеспечивающий хорошую яркость, эффективность и продолжительную эксплуатацию источников света. С его помощью происходит трансформация переменного тока промышленной сети напряжением 220 В в постоянный ток нужного значения (12/24/48 В). Разберемся во всех функциях электротехнического элемента и укажем важные критерии выбора устройств.

Понятие сетевого драйвера и его предназначение

Драйвер - электронный компонент, на который поступает напряжение переменного тока, происходит стабилизация и выходит напряжение постоянного тока. Здесь важно понимать, что речь идет о получении тока. Для преобразования напряжения используются обычные блоки питания (на корпусе указывается значение выходного напряжения). Блоки питания эксплуатируются в диодных лентах.

Главная характеристика преобразователя для светодиодных осветительных приборов - выходной ток. Для нагрузки используют вспомогательные led-диоды или другие полупроводники. Практически всегда драйвер питается от промышленной сети 220 В, а диапазон напряжения на выходе начинается от 2 – 3 и заканчивается десятками Вольт. Чтобы подключить три светодиода на 3 Вт, необходим электронный драйвер с выходным напряжением 9 – 21 В и током 780 мА. При небольшой нагрузке универсальное устройство характеризуется низким коэффициентом полезного действия (КПД).

Для питания фар транспортных средств применяют источник с постоянным напряжением от 10 до 35 В. Если мощность невысокая, драйвер необязателен, но потребуется соответствующий резистор. Данный компонент - незаменимая часть бытового выключателя, но при коммутации led-диода к переменной сети 220 В нельзя рассчитывать на надежную и долговечную работу.

Принцип работы

Преобразователь выступает источником тока. Разберемся в отличиях изделия от блока питания - источника напряжения.

На выходе каждого преобразователя напряжения имеем определенное напряжение, которое не связано с нагрузкой. К примеру, если подключить к блоку питания 12 В сопротивление 40 Ом, через него будет идти ток 300 мА. Если установить два резистора параллельно, то в сумме получится ток 600 мА, хотя напряжение останется идентичным.

Что касается драйвера, он дает одинаковый ток, несмотря на изменяющееся в меньшую или большую сторону напряжение. Возьмите резистор 30 Ом и соедините его с драйвером на 225 мА. Напряжение упадет до 12 В. Если выполнить коммутацию двух параллельно соединенных резисторов по 30 Ом каждый, ток все равно останется равным 225 мА, но напряжение уменьшится вдвое - до 6 В.

Отсюда вывод: качественный драйвер гарантирует нагрузке заданный выходной ток независимо от изменяющегося напряжения. В результате led-диод при подаче напряжения 5 В будет светить одинаково ярко в сравнении с источником питания на 10 В при условии сохранения идентичного тока.

Технические характеристики

Необходимость покупки драйвера возникает, если был найден интересный светильник без преобразователя тока. Другой вариант - создание источника света с нуля путем приобретения каждого элемента отдельно.

Перед покупкой преобразователя тока изучите три главные характеристики:

• выходной ампераж;
• рабочая мощность;
• выходной вольтаж.

Выходное напряжение рассчитывается исходя из схемы подключения к питанию и числа светодиодов. Значение тока оказывает воздействие на мощность и уровень свечения. Выходного тока драйвера для led-диодов должно быть достаточно для постоянного и яркого свечения.

Мощность изделия должна быть выше суммарного значения всех светодиодов. Для расчета используется формула P = P (led) × X, где

• P (led) - мощность диода;
• X - число диодов.

Для гарантии продолжительной эксплуатации драйвера нужно ориентироваться на запас мощности - покупайте преобразователи номинальной мощностью на 20 – 30 % выше требуемого значения. Не забывайте о цветовом факторе, непосредственно связанном с падением напряжения. Последняя величина изменяется в зависимости от разных цветов.

Срок годности

Срок эксплуатации драйвера несколько меньше по сравнению с оптической составляющей светодиодного светильника - порядка 30 000 часов. Это связано с рядом причин: скачками напряжения, изменениями температуры, влажности и нагрузкой на преобразователь.

Одно из уязвимых мест - сглаживающий конденсатор, в котором со временем испаряется электролит. В большинстве случаев это происходит при монтаже в помещениях с высокой влажностью или подключении к сети, в которой есть скачки напряжения. Подход приведет к повышению пульсаций на выходе устройства, что негативно воздействует на led-диоды.

Нередко срок службы драйвера уменьшается из-за частичной загруженности. Если используется устройство мощностью 200 Вт с уменьшенной в два раза нагрузкой (100 Вт), половина от номинального значения вернется в сеть, что вызовет перегрузку и более частые сбои питания.

Виды драйверов

Существуют две основные категории преобразователей тока для светодиодов - линейного и импульсного типов. На линейном оборудовании выход - генератор тока, гарантирующий стабилизацию при любых перепадах сетевого напряжения. Компонент выполняет плавную подстройку без образования электромагнитных волн высокой частоты. Простые и дешевые изделия с КПД ниже 80 %, что ограничивает область использования до светодиодов и лент малой мощности.

Принцип действия импульсных драйверов сложнее - на выходе образуется серия импульсов тока высокой частоты.

Частота появления импульсов тока всегда постоянна, но коэффициент заполнения может изменяться в диапазоне 10 – 80 %, что приводит к изменению значения выходного тока. Компактные габариты и высокий КПД (90 – 95 %) обусловили широкое распространение импульсных драйверов. Их главный недостаток - большее число электромагнитных помех (в сравнении с линейными).

На стоимости драйвера сказывается наличие или отсутствие гальванической развязки. В последнем случае устройства обычно дешевле, но надежность значительно ниже из-за вероятности поражения током.

Диммируемый драйвер

Диммер - устройство, позволяющее регулировать яркость источников света. Большинство драйверов поддерживают данную функцию. С их помощью понижается интенсивность освещения в светлое время суток, расставляются акценты на определенных предметах интерьера, выполняется зонирование комнаты. Все это предоставляет возможность снижения затрат на электроэнергию и увеличение ресурса отдельных компонентов.

Китайские драйверы

Дешевые и низкокачественные китайские драйверы характеризуются отсутствием корпуса. Величина выходного тока обычно не превышает 700 мА. На фоне минимальной стоимости и (возможно) наличия гальванической развязки недостатки выглядят куда более серьезными:

• короткий срок эксплуатации;
• ненадежность - дешевые элементы для схем;
• большие радиочастотные помехи;
• многочисленные пульсации;
• слабая защита от высокой температуры и повышения/снижения сетевого напряжения.

Как подобрать драйвер

Если хотите получить качественное устройство, которое прослужит несколько лет и будет выполнять требуемые функции, рекомендуем избегать приобретения дешевых китайских изделий. Далеко не всегда физические параметры таковых совпадают с заявленными значениями. Не покупайте приборы, у которых отсутствуют гарантийные талоны.

Самый простой, средний по качеству и цене вариант - преобразователь тока без корпуса, подключаемый к промышленной сети напряжением 220 В. Выбирая ту или иную модификацию устройства, можно использовать его для одного или нескольких светодиодов. Это отличные элементы, применяемые в лабораторных исследованиях и экспериментах. Для квартиры и дома желательно покупать драйверы с корпусом, поскольку при его отсутствии снижаются надежность и безопасность эксплуатации.

Готовые микросхемы преобразователей тока для светодиодных светильников

На рынке можно встретить готовые микросхемы для преобразования тока. Ниже рассмотрим наиболее популярные из всех:

1. Supertex HV9910 - импульсный преобразователь с током до 10 мА, не поддерживающий развязку.
2. ON Semiconductor UC3845 - устройство импульсного типа, выходной ток которого равен 1 А.
3. Texas Instruments UCC28810 - драйвер импульсного типа с поддержкой развязки и выходным током не более 750 мА.
4. LM3404HV - отличный вариант для питания светодиодов высокой мощности. Работа построена по принципу преобразователя резонансного типа. Для поддержания номинального тока используется резонансная цепь, состоящая из конденсатора и полупроводникового диода Шоттки. При выборе сопротивления RON есть возможность задать требуемую частоту коммутации.
5. Maxim MAX16800 - линейный драйвер для малого напряжения (12 В). Выходной ток насчитывает не более 350 мА. Данная схема драйвера для светодиодной лампы - отличный вариант для мощного led-диода или фонарика. Поддерживается диммирование.

Самостоятельная сборка преобразователя для светодиодов 220 В

Рассмотренная схема напоминает блок питания импульсного типа. Для примера возьмем простой блок питания импульсного типа, не имеющий гальванической развязки. Главные преимущества подобной схемы - простота и надежность.

При выборе метода действуйте осторожно, поскольку отсутствуют какие-либо ограничения по выходному току. Светодиоды будут питаться от положенных им 1,5 – 2 А, но если по неосторожности коснуться руками оголенных проводов, значение тока вырастет до десятков ампер и произойдет сильный удар.

Простейшая схема преобразователя тока на 220 В содержит три каскада:

• делитель напряжения с емкостным резистором;
• несколько диодов (мост);
• стабилизатор напряжения.

В первом каскаде емкостной резистор используется для самостоятельной подзарядки конденсатора, не имеет отношения к работе самой схемы. Номинал не имеет значения и обычно составляет от 100 кОм до 1 МОм при мощности не более 1 Вт. В этих целях нельзя выбирать электролитический конденсатор.

Ток через конденсатор проходит до тех пор, пока он полностью не зарядится. Чем ниже емкость конденсатора, тем быстрее завершится процесс. Конденсатор на 0,3 мкФ пропустит через себя меньшую часть от общего напряжения сети.

Диодный мост используется для трансформации переменного напряжения в постоянное. После того как конденсатор «отсечет» практически весь вольтаж, диодный мост выдаст постоянный ток с напряжением 20 – 22 В.

На третьем каскаде устанавливают сглаживающий фильтр для стабилизации напряжения. Конденсатор и диодный мост уменьшают напряжение. Любые изменения напряжения в сети сказываются на выходной амплитуде диодного моста. Для уменьшения пульсации параллельно в схему подключают электролитический конденсатор.

Самостоятельная сборка преобразователя на 10 Ватт

Если хотите своими руками соорудить сетевой драйвер для питания мощного светодиода, воспользуйтесь электронными платами от испорченных экономок. Зачастую подобные светильники прекращают работу именно из-за перегоревших ламп, хотя электронная плата продолжает функционировать. Все компоненты могут применяться для создания блока питания, драйвера и прочих электротехнических приборов. В процессе потребуются конденсаторы, диоды, транзисторы и дроссели.

Разберите вышедшую из строя ртутную лампу мощностью 20 Вт (подходит для драйвера на 10 Вт). В таком случае гарантируется, что дроссель выдержит оказываемую нагрузку. С увеличением потребностей мощности для сетевого драйвера придется выбирать более мощную экономку или вместо дросселя воспользоваться аналогом с огромным сердечником.

Выполните 20 витков на обмотке и паяльником подключите ее к выпрямителю (диодному мосту). Подайте напряжение от промышленной сети 220 В и мультиметром измерьте полученное значение на выходе диодного моста. При использовании инструкции получится значение в районе 9 – 10 В. Светодиодный источник потребляет 0,8 А при номинале 900 мА. Поскольку вы будете подавать ток уменьшенного значения, сможете продлить срок эксплуатации led-диода.

Заключение

Несмотря на кажущуюся простоту и надежность, светодиоды более сложны и требовательны, нежели другие источники света. Взять те же источники питания. К примеру, если превысить мощность тока питания люминесцентной лампы на 15 – 25 %, характеристики не ухудшатся. В случае светодиодов срок их эксплуатации снизится в несколько раз. Наличие сетевого драйвера гарантирует подачу одинакового выходного тока независимо от скачков напряжения сети. По этой причине не стоит экономить на покупке данных устройств.

Для конструирования светодиодных светильников постоянно требуются источники питания — драйвера. При большом объеме вполне можно наладить сборку драйверов самостоятельно, но себестоимость таких драйверов получается не такой уж и низкой, а изготовление и пайка двухсторонних печатных плат с SMD-компонентами — процесс в домашних условиях довольно трудоемкий.

Я решил обойтись готовым драйвером. Нужен был недорогой драйвер без корпуса, желательно с возможностью настройки тока и диммированием.

Схему перерисовал и немного доработал

Характеристики без конденсаторов ~0.9В и 8.7% (пульсации светового потока)

Конденсатор на выходе ожидаемо уменьшат пульсации вдвое ~0.4В и 4%

А вот 10мкФ конденсатор на входе уменьшает пульсации в 9 раз ~0.1В и 1%, правда добавление этого конденсатора значительно снижает PF (коэффициент мощности)

Оба конденсатора приближают характеристики выходных пульсаций к паспортным ~ 0.05В и 0.6%

Итак пульсации побеждены при помощи двух конденсаторов из старого блока питания.

Доработка №2. Настройка выходного тока драйвера

Основное предназначение драйверов — поддерживать стабильный ток на светодиодах. Данный драйвер стабильно выдает 600мА.

Иногда ток драйвера хочется изменить. Обычно это делается подбором резистора или конденсатора в цепи обратной связи. Как обстоят дела у этих драйверов? И зачем здесь установлены три параллельных резистора малого сопротивления R4, R5, R6?

Все правильно. Ими можно задавать выходной ток. Видимо, все драйверы одинаковой мощности, но на разные токи и отличаются именно этими резисторами и выходным трансформатором, дающим разное напряжение.

Если аккуратно демонтировать резистор на 1.9Ом, получаем выходной ток 430мА, демонтировав оба резистора 300мА.

Можно пойти и обратным путем, подпаяв параллельно еще один резистор, но данный драйвер выдает напряжение до 35В и при большем токе мы получим превышение по мощности, что может привести с выходу драйвера из строя. Но 700мА вполне можно выжать.

Итак, при помощи подбора резисторов R4, R5 и R6 можно уменьшать выходной ток драйвера (или очень незначительно увеличивать) не меняя количество светодиодов в цепочке.

Доработка 3. Диммирование

На плате драйвера имеется три контакта с надписью DIMM, что наводит на мысль, что данный драйвер может управлять мощностью светодиодов. О том же говорит и даташит на микросхему, хотя типовых схем диммирования в них не приведено. Из даташита можно почерпнуть информацию, что подавая на ногу 7 микросхемы напряжение -0.3 — 6В, можно получить плавное регулирование мощности.

Подключение к контактам DIMM переменного резистора ни к чему не приводит, кроме того, нога 7 микросхемы драйвера вообще ни к чему не подключена. Значит снова доработки.

Подпаиваем резистор на 100К к ноге 7 микросхемы

Теперь подавая между землей и резистором напряжение 0-5В получаем ток 60-600мА

Чтобы уменьшить минимальный ток диммирования, необходимо уменьшить и резистор. К сожалению, в даташите про это ничего не написано, поэтому подбирать все компоненты придется опытны путем. Меня лично устроило диммирования от 60 до 600мА.

Если нужно организовать диммирование без внешнего питания, то можно взять напряжение питания драйвера ~15В (нога 2 микросхемы или резистор R7) и подать по следующей схеме.

Ну и, напоследок, подаю ШИМ с D3 ардуино на диммирующий вход.

Пишу простейший скетч, меняющий уровень ШИМ от 0 до максимуму и обратно:

#include

void setup() {
pinMode(3, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
analogWrite(3,0);
}

void loop() {
for(int i=0; i< 255; i+=10){
analogWrite(3,i);
delay(500);
}
for(int i=255; i>=0; i-=10){
analogWrite(3,i);
delay(500);
}
}

Получаю диммирование при помощи ШИМ.

Диммирование при помощи ШИМ увеличивает выходные пульсации примерно на 10-20% по сравнению с управлением постоянным током. Максимально пульсации увеличиваются примерно вдвое при установке тока драйвера в половину от максимального.

Проверка драйвера на КЗ

Токовый драйвер должен корректно реагировать на короткое замыкание. Но лучше китайцев проверить. Не люблю я такие штуки. Под напряжением что-то втыкать. Но искусство требует жертв. Закорачиваем выход драйвера во время работы:

Драйвер нормально переносит короткие замыкания и восстанавливает свою работу. Защита от КЗ есть.

Подведем итоги

Плюсы драйвера

• Малые габариты
• Низкая стоимость
• Возможность регулировки тока
• Возможность диммирования

Минусы

• Высокие выходные пульсации (устраняется добавлением конденсаторов)
• Вход диммирования нужно распаивать
• Мало нормальной документации. Неполный даташит
• При работе обнаружился еще один минус — помехи на радио в ФМ диапазоне. Лечится установкой драйвера в алюминиевый корпус или корпус обклеенный фольгой или алюминиевым скотчем

Драйверы вполне годятся для тех, кто дружит с паяльником или для тех кто не дружит, но готов терпеть выходные пульсации 3-4%.

Полезные ссылки

Из цикла — коты это жидкость. Тимофей — литров 5-6)))