High Power LED driverkretser: 12 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

LED-er med høy effekt: fremtiden for belysning!

men … hvordan bruker du dem? hvor får du tak i dem? 1-watt og 3-watt Power LED er nå allment tilgjengelig i $ 3 til $ 5-serien, så jeg har jobbet med en haug med prosjekter i det siste som bruker dem. i prosessen var det plagsomt meg at de eneste alternativene noen snakker om for å kjøre lysdiodene er: (1) en motstand, eller (2) en veldig dyr elektronisk gizmo. nå som LED -ene koster $ 3, føles det feil å betale $ 20 for at enheten skal kjøre dem! Så jeg gikk tilbake til boken min "Analoge kretser 101", og fant ut et par enkle kretser for å drive strøm -LED -er som bare kostet $ 1 eller $ 2. Denne instruksen vil gi deg et slag for slag av alle de forskjellige kretsene for å drive store LED-er, alt fra motstander til bytte av forsyninger, med noen tips om dem alle, og vil selvfølgelig gi mange detaljer om min nye enkle strøm LED -driverkretser og når/hvordan de skal brukes (og jeg har tre andre instruktører så langt som bruker disse kretsene). Noe av denne informasjonen ender opp med å være ganske nyttig for små LED-er også her er mine andre power-LED-instruksjoner, sjekk dem for andre notater og ideer Denne artikkelen er brakt til deg av MonkeyLectric og Monkey Light sykkellys.

Trinn 1: Oversikt / deler

Det er flere vanlige metoder der ute for å drive LED -er. Hvorfor alt oppstyret? Det koker ned til dette: 1) LED -er er veldig følsomme for spenningen som brukes til å drive dem (dvs. strømmen endres mye med en liten endring i spenning) 2) Den nødvendige spenningen endres litt når LED -en settes varm eller kald luft, og også avhengig av fargen på LED -en, og produksjonsdetaljer. så det er flere vanlige måter som LED -er vanligvis er drevet på, og jeg vil gå over hver enkelt i de følgende trinnene.

Deler Dette prosjektet viser flere kretser for å drive strøm -LED. for hver av kretsene jeg har notert på det relevante trinnet delene som trengs, inkludert delenumre som du finner på www.digikey.com. For å unngå mye duplisert innhold, diskuterer dette prosjektet bare spesifikke kretser og deres fordeler og ulemper. For å lære mer om monteringsteknikker og for å finne ut LED -delenumre og hvor du kan få dem (og andre emner), vennligst se et av mine andre power LED -prosjekter.

Trinn 2: Power LED -ytelsesdata - Praktisk referansediagram

Nedenfor er noen grunnleggende parametere for Luxeon LED -er som du vil bruke for mange kretser. Jeg bruker tallene fra denne tabellen i flere prosjekter, så her legger jeg dem alle på ett sted som jeg enkelt kan referere til. Luxon 1 og 3 uten strøm (avstengningspunkt): hvit/blå/grønn/ cyan: 2,4V dråpe (= "LED fremover spenning") rød/oransje/gul: 1,8V dråpeLuxeon-1 med 300mA strøm: hvit/blå/grønn/cyan: 3,3V fall (= "LED fremover spenning") rød/oransje /gul: 2.7V dropLuxeon-1 med 800mA strøm (over spesifikasjon): alle farger: 3.8V dropLuxeon-3 med 300mA strøm: hvit/blå/grønn/cyan: 3.3V dropred/oransje/gul: 2.5V dropLuxeon-3 med 800mA gjeldende: hvit/blå/grønn/cyan: 3,8V dråperød/oransje/rav: 3,0V dråpe (merk: testene mine er uenige med spesifikasjonsarket) Luxeon-3 med 1200mA strøm: rød/oransje/rav: 3,3V dråpe (merk: testene mine er uenige i spesifikasjonsarket) Typiske verdier for vanlige "små" lysdioder med 20mA er: rød/oransje/gul: 2,0 V dråpegrønn/cyan/blå/lilla/hvit: 3,5V dråpe

Trinn 3: Direkte strøm

Hvorfor ikke bare koble batteriet rett til LED -en? Det virker så enkelt! Hva er problemet? Kan jeg noen gang gjøre det? Problemet er pålitelighet, konsistens og robusthet. Som nevnt er strømmen gjennom en LED veldig følsom for små endringer i spenningen over LED -en, og også for omgivelsestemperaturen til LED -en, og også for produksjonsvariasjonene til LED -en. Så når du bare kobler LED -en til et batteri, har du liten anelse om hvor mye strøm som går gjennom den. "men hva så, det lyste, ikke sant?". ok sikkert. avhengig av batteriet kan du ha for mye strøm (lysdioden blir veldig varm og brenner raskt) eller for lite (lysdioden er svak). det andre problemet er at selv om lysdioden er helt riktig når du først kobler den til, og hvis du tar den til et nytt miljø som er varmere eller kaldere, vil den enten bli svak eller for lys og brenne ut, fordi lysdioden er veldig temperatur følsom. produksjonsvariasjoner kan også forårsake variabilitet. Så kanskje du leser alt det, og du tenker: "så hva!". i så fall, plog fremover og koble rett til batteriet. for noen applikasjoner kan det være veien å gå.- Sammendrag: bare bruk dette for hacks, ikke forvent at det skal være pålitelig eller konsistent, og forvent å brenne ut noen LED-er underveis.- En berømt hack som setter denne metoden For enestående god bruk er LED Throwie. Merk:- hvis du bruker et batteri, vil denne metoden fungere best med * små * batterier, fordi et lite batteri virker som om det har en intern motstand i det. Dette er en av grunnene til at LED Throwie fungerer så bra.-Hvis du faktisk vil gjøre dette med en power-LED i stedet for en 3-cent LED, velger du batterispenningen slik at LED-en ikke vil være på full effekt. Dette er den andre grunnen til at LED Throwie fungerer så bra.

Trinn 4: Den ydmyke motstanden

Dette er den desidert mest brukte metoden for å drive lysdioder. Bare koble en motstand i serie med dine LED (er). Fordeler:- dette er den enkleste metoden som fungerer pålitelig- har bare én del- koster øre (faktisk mindre enn en krone i mengde) ulemper:- ikke veldig effektiv. du må bytte bort bortkastet strøm mot konsekvent og pålitelig LED -lysstyrke. hvis du kaster mindre strøm i motstanden, får du mindre konsekvent LED-ytelse.- må bytte motstand for å endre LED-lysstyrke- hvis du endrer strømforsyning eller batterispenning betydelig, må du bytte motstanden igjen.

Slik gjør du det: Det er mange flotte nettsider der ute som allerede forklarer denne metoden. Vanligvis vil du finne ut:- hvilken verdi av motstand du skal bruke- hvordan du kobler LED-ene i serie eller parallell Det er to gode "LED-kalkulatorer" jeg fant som lar deg bare angi spesifikasjonene for LED-ene og strømforsyningen, og de vil design hele serien/parallellkretsen og motstander for deg! https://led.linear1.org/led.wizhttps://metku.net/index.html? sect = view & n = 1 & path = mods/ledcalc/index_eng kalkulatorer, bruk Power LED Data Handy Reference Chart for strøm- og spenningsnumrene som kalkulatoren ber deg om. hvis du bruker motstandsmetoden med strøm -LED -er, vil du raskt få mange billige effektmotstander! her er noen billige fra digikey: "Yageo SQP500JB" er en 5-watts motstandsserie.

Trinn 5: $ heksende regulatorer

Bytting av regulatorer, også kjent som "DC-to-DC", "buck" eller "boost" -omformere, er en fin måte å drive en LED på. de gjør alt, men de er dyre. hva er det de "gjør" akkurat? koblingsregulatoren kan enten trappe ned ("bukk") eller trappe opp ("boost") inngangsspenningen til strømforsyningen til den eksakte spenningen som er nødvendig for å drive lysdiodene. i motsetning til en motstand overvåker den konstant LED -strømmen og tilpasser seg for å holde den konstant. Det gjør alt dette med 80-95% strømeffektivitet, uansett hvor mye nedtrapping eller oppgradering er. Fordeler:-konsekvent LED-ytelse for et bredt spekter av LED-er og strømforsyning- høy effektivitet, vanligvis 80-90% for boost-omformere og 90-95% for buck-omformere-kan drive LED-er fra både lavere eller høyere spenningsforsyninger (trinn opp eller ned)-noen enheter kan justere LED-lysstyrke. Pakkete enheter designet for strøm-LED er tilgjengelige og enkle to useCons:- kompleks og dyr: vanligvis omtrent $ 20 for en pakket enhet. - å lage din egen krever flere deler og elektrotekniske ferdigheter.

En hylleenhet designet spesielt for strømledede er Buckpuck fra LED Dynamics. Jeg brukte en av disse i mitt power-led hodelyktprosjekt og var ganske fornøyd med det. disse enhetene er tilgjengelige fra de fleste LED -nettbutikker.

Trinn 6: De nye tingene !! Konstant strømkilde #1

La oss komme til de nye tingene! Det første settet med kretser er alle små variasjoner på en superenkel konstant strømkilde. Fordeler:- konsekvent LED-ytelse med enhver strømforsyning og LED-er- koster omtrent $ 1- bare 4 enkle deler å koble til- effektiviteten kan være over 90% (med riktig LED og valg av strømforsyning)- kan håndtere MASSE strøm, 20 ampere eller mer ikke noe problem.- lav "frafall"- inngangsspenningen kan være så lite som 0,6 volt høyere enn utgangsspenningen.- Superbredt driftsområde: mellom 3V og 60V inngang Cons:- må endre en motstand for å endre LED-lysstyrken- hvis den er dårlig konfigurert kan den kaste bort like mye strøm som motstandsmetoden- du må bygge den selv (oh vent, det burde være en 'pro').- strømgrensen endres litt med omgivelsestemperaturen (kan også være en 'pro'). Så for å oppsummere: denne kretsen fungerer like bra som nedtrappingsregulatoren, den eneste forskjellen er at den ikke garanterer 90% effektivitet. på plussiden koster det bare $ 1.

Den enkleste versjonen først: "Lavpris konstant strømkilde #1" Denne kretsen er omtalt i mitt enkle strømledede lysprosjekt. Hvordan fungerer det?- Q2 (en effekt NFET) brukes som en variabel motstand. Q2 starter slått på med R1.- Q1 (en liten NPN) brukes som en overstrøms sensingbryter, og R3 er "sensormotstanden" eller "sett motstanden" som utløser Q1 når for mye strøm flyter.- Den hovedstrømmen er gjennom LED -ene, gjennom Q2 og gjennom R3. Når for mye strøm strømmer gjennom R3, vil Q1 begynne å slå seg på, noe som begynner å slå av Q2. Slå av Q2 reduserer strømmen gjennom LED og R3. Så vi har laget en "feedback loop", som kontinuerlig overvåker LED -strømmen og holder den nøyaktig på settpunktet til enhver tid. transistorer er smarte, ikke sant!- R1 har høy motstand, slik at når Q1 begynner å slå på, overvelder den lett R1.- Resultatet er at Q2 fungerer som en motstand, og motstanden er alltid perfekt satt for å holde LED-strømmen korrekt. Eventuell overflødig effekt blir brent i 2. kvartal. For maksimal effektivitet ønsker vi å konfigurere LED -strengen vår slik at den er nær strømforsyningsspenningen. Det vil fungere fint hvis vi ikke gjør dette, vi vil bare kaste bort strøm. dette er egentlig den eneste ulempen med denne kretsen sammenlignet med en nedbryteregulator! Innstiller strømmen! verdien til R3 bestemmer den innstilte strømmen. Beregninger:- LED-strøm er omtrent lik: 0,5 / R3- R3 effekt: effekten spredt av motstanden er omtrent: 0,25 / R3. velg en motstandsverdi minst 2x effekten beregnet slik at motstanden ikke blir brennende varm. så for 700mA LED -strøm: R3 = 0,5 / 0,7 = 0,71 ohm. nærmeste standardmotstand er 0,75 ohm. R3 effekt = 0,25 / 0,71 = 0,35 watt. vi trenger minst en motstand på 1/2 watt. Deler som brukes: R1: liten (1/4 watt) omtrent 100k-ohm motstand (for eksempel: Yageo CFR-25JB-serien) R3: stort (1 watt+) nåværende sett motstand. (et godt 2-watts valg er: Panasonic ERX-2SJR-serien) Q2: stor (TO-220-pakke) N-kanal logisk nivå FET (for eksempel: Fairchild FQP50N06L) Q1: liten (TO-92-pakke) NPN-transistor (for eksempel: Fairchild 2N5088BU) Maksimumsgrenser: den eneste virkelige grensen for gjeldende kildekrets er pålagt av NFET Q2. Q2 begrenser kretsen på to måter: 1) effekttap. Q2 fungerer som en variabel motstand, og reduserer spenningen fra strømforsyningen for å matche behovet for LED -lampene. så Q2 trenger en kjøleribbe hvis det er høy LED -strøm eller hvis strømkildespenningen er mye høyere enn LED -strengspenningen. (Q2 effekt = fallende volt * LED -strøm). Q2 klarer bare 2/3 watt før du trenger en slags kjøleribbe. med en stor kjøleribbe, kan denne kretsen håndtere MYE strøm og strøm - sannsynligvis 50 watt og 20 ampere med denne eksakte transistoren, men du kan bare sette flere transistorer parallelt for mer effekt. 2) spenning. "G" -pinnen på Q2 er bare vurdert til 20V, og med denne enkleste kretsen som vil begrense inngangsspenningen til 20V (la oss si 18V for å være trygg). Hvis du bruker en annen NFET, må du kontrollere "Vgs" -vurderingen. termisk følsomhet: gjeldende settpunkt er noe følsomt for temperatur. dette er fordi Q1 er utløseren, og Q1 er termisk sensitiv. delen som jeg spesifiserte ovenfor er en av de minst termisk følsomme NPN -ene jeg kunne finne. Likevel, forvent kanskje en 30% reduksjon i gjeldende settpunkt når du går fra -20C til +100C. det kan være en ønsket effekt, det kan redde Q2 eller LED fra overoppheting.

Trinn 7: Konstant strømkildetilpasninger: #2 og #3

disse små modifikasjonene på krets #1 adresserer spenningsbegrensningen til den første kretsen. vi må holde NFET -porten (G -pin) under 20V hvis vi vil bruke en strømkilde som er større enn 20V. det viser seg at vi også vil gjøre dette slik at vi kan koble denne kretsen til en mikrokontroller eller datamaskin.

i krets #2 la jeg til R2, mens i #3 erstattet jeg R2 med Z1, en zenerdiode. krets #3 er den beste, men jeg inkluderte #2 siden det er en rask hack hvis du ikke har den riktige verdien av zenerdioden. vi vil sette G -pin -spenningen til omtrent 5 volt - bruk en 4,7 eller 5,1 volt zenerdiode (for eksempel: 1N4732A eller 1N4733A) - alle lavere og Q2 vil ikke kunne slå helt på, noe høyere og det vil ikke fungere med de fleste mikrokontrollere. Hvis inngangsspenningen er under 10V, bytt R1 for en 22k-ohm motstand, zenerdioden fungerer ikke med mindre det går 10uA gjennom den. etter denne endringen, vil kretsen håndtere 60V med delene oppført, og du kan lett finne en høyere spenning Q2 om nødvendig.

Trinn 8: En liten mikro gjør hele forskjellen

Hva nå? koble til en mikrokontroller, PWM eller en datamaskin! nå har du et fullt digitalt kontrollert kraftig LED-lys. mikrokontrollerens utgangspinner er vanligvis bare vurdert til 5,5 V, derfor er zenerdioden viktig. hvis mikrokontrolleren din er 3,3V eller mindre, du må bruke krets #4 og sette mikrokontrollerens utgangspinne til å være "åpen kollektor"-som lar mikroben trekke ned pinnen, men lar R1-motstanden trekke den opp til 5V som er nødvendig for å slå Q2 på fullt. hvis mikroen din er 5V, kan du bruke den enklere kretsen #5, fjerne Z1, og sette mikroens utgangspinne til å være normal pull-up/pull-down-modus - 5V mikro kan slå på Q2 helt fint av seg selv. nå som du har en PWM eller mikro tilkoblet, hvordan lager du en digital lysstyring? for å endre lysstyrken på lyset ditt, "PWM" du det: du blinker raskt og raskt (200 Hz er en god hastighet), og endrer forholdet mellom på-tid til av-tid. dette kan gjøres med bare en noen koderader i en mikrokontroller. For å gjøre det ved hjelp av bare en '555' brikke, prøv denne kretsen. for å bruke den kretsen bli kvitt M1, D3 og R2, og deres Q1 er vår Q2.

Trinn 9: En annen dimmetode

ok, så kanskje du ikke vil bruke en mikrokontroller? her er en annen enkel modifikasjon på "krets #1"

den enkleste måten å dempe lysdiodene på er å endre gjeldende settpunkt. så vi endrer R3! vist nedenfor, la jeg til R4 og en bryter parallelt med R3. så med bryteren åpen, er strømmen satt av R3, med bryteren lukket, blir strømmen satt av den nye verdien av R3 parallelt med R4 - mer strøm. så nå har vi "høy effekt" og "lav effekt" - perfekt for en lommelykt. kanskje du vil sette en variabel motstandsskive for R3? Dessverre gjør de dem ikke til en så lav motstandsverdi, så vi trenger noe litt mer komplisert for å gjøre det. (se krets #1 for hvordan du velger komponentverdiene)

Trinn 10: Den analoge justerbare driveren

Denne kretsen lar deg justere lysstyrken, men uten å bruke en mikrokontroller. Det er helt analogt! det koster litt mer - omtrent $ 2 eller $ 2,50 totalt - jeg håper du ikke har noe imot det. Hovedforskjellen er at NFET er erstattet med en spenningsregulator. spenningsregulatoren reduserer inngangsspenningen omtrent som NFET gjorde, men den er utformet slik at utgangsspenningen er satt av forholdet mellom to motstander (R2+R4 og R1). Strømgrensekretsen fungerer på samme måte som før, i dette tilfellet reduserer det motstanden over R2, og senker spenningsregulatorens utgang. Denne kretsen lar deg sette spenningen på LED -ene til en hvilken som helst verdi ved hjelp av en skive eller glidebryter, men det begrenser også LED -strømmen som før så du kan ikke dreie skiven forbi sikkerhetspunktet. Jeg brukte denne kretsen i mitt RGB fargekontrollerte rom/spotbelysningsprosjekt. se prosjektet ovenfor for delenumre og valg av motstandsverdi. denne kretsen kan fungere med en inngangsspenning fra 5V til 28V, og opptil 5 ampere strøm (med kjøleribbe på regulatoren)

Trinn 11: En * enda enklere * nåværende kilde

ok, så det viser seg at det er en enda enklere måte å lage en konstant strømkilde på. grunnen til at jeg ikke satte det først er at det har minst en betydelig ulempe også.

Denne bruker ikke en NFET- eller NPN -transistor, den har bare en enkelt spenningsregulator. Sammenlignet med den forrige "enkle strømkilden" ved bruk av to transistorer, har denne kretsen: - enda færre deler. - mye høyere "frafall" på 2,4V, noe som vil redusere effektiviteten betydelig når du bare driver 1 LED. hvis du driver en streng med 5 lysdioder, er det kanskje ikke så stort. - ingen endring i gjeldende settpunkt når temperaturen endres - mindre strømkapasitet (5 ampere - fortsatt nok for mange LED -er)

hvordan du bruker den: motstand R3 angir strømmen. formelen er: LED -strøm i ampere = 1,25 / R3, så for en strøm på 550mA, sett R3 til 2,2 ohm trenger du vanligvis en effektmotstand, R3 -effekt i watt = 1,56 / R3 har denne kretsen også den ulempen at den eneste måten å bruke den med en mikrokontroller eller PWM på er å slå hele greia på og av med en strøm FET. og den eneste måten å endre LED -lysstyrken på er å endre R3, så se den tidligere skjemaet for "krets #5" som viser å legge til en lav/høy strømbryter inn. regulator pinout: ADJ = pin 1 OUT = pin 2 IN = pin 3 deler: regulator: enten LD1585CV eller LM1084IT-ADJ kondensator: 10u til 100u kondensator, 6,3 volt eller større (for eksempel: Panasonic ECA-1VHG470) motstand: et minimum på 2 watt motstand (for eksempel: Panasonic ERX-2J-serien) du kan bygge dette med stort sett hvilken som helst lineær spenningsregulator, de to listede har god generell ytelse og pris. den klassiske "LM317" er billig, men frafallet er enda høyere - totalt 3,5 volt i denne modusen. det er nå mange overflatemonteringsregulatorer med ultra-lave frafall for bruk med lav strøm, hvis du trenger å drive 1 LED fra et batteri, kan disse være verdt å se på.

Trinn 12: Haha! Det er en enda enklere måte

Jeg er flau over å si at jeg ikke tenkte på denne metoden selv, jeg lærte om det da jeg demonterte en lommelykt som hadde en høy lysstyrke LED inne i den.

-------------- Sett en PTC-motstand (aka en "PTC-resettbar sikring") i serie med LED-en din. wow.blir ikke lettere enn det. -------------- ok. Selv om den er enkel, har denne metoden noen ulemper: - Drivspenningen din kan bare være litt høyere enn LED "på" spenningen. Dette er fordi PTC -sikringer ikke er designet for å bli kvitt mye varme, så du må holde den nedlagte spenningen over PTC ganske lav. du kan lime din ptc til en metallplate for å hjelpe litt. - Du vil ikke kunne kjøre LED -en din med maksimal effekt. PTC -sikringer har ikke en veldig nøyaktig "tripp" -strøm. Vanligvis varierer de med en faktor 2 fra det vurderte turpunktet. Så hvis du har en LED som trenger 500mA, og du får en PTC vurdert til 500mA, vil du ende opp med alt fra 500mA til 1000mA - ikke trygt for LED. Det eneste sikre valget av PTC er litt undervurdert. Få 250mA PTC, så er ditt verste tilfelle 500mA som LED kan håndtere. ----------------- Eksempel: For en enkelt LED med en verdi på omtrent 3,4V og 500mA. Koble til i serie med en PTC -verdi på ca 250 mA. Drivspenningen skal være omtrent 4,0V.