Подключение светодиодов через стабилизатор тока

Стабилизаторы должны обеспечивать постоянный рабочий ток светодиодов когда в сети питания есть проблемы с отклонением напряжения от нормы (вам будет интересно узнать, как подключить светодиод от сети 220 вольт). Стабильный рабочий ток в первую очередь необходим для защиты LED от перегрева. Ведь при превышении максимально допустимого тока, светодиоды выходят из строя. Также стабильность рабочего тока обеспечивает постоянство светового потока прибора, например, при разряде аккумуляторных батарей или колебаниях напряжения в питающей сети.

Стабилизаторы тока для светодиодов имеют разные виды исполнения, а обилие вариантов схем исполнения радует глаз. На рисунке приведены три самые популярные схемы стабилизаторов на полупроводниках.

1. Схема а) — Параметрический стабилизатор. В этой схеме стабилитрон задает постоянное напряжение на базе транзистора, который включен по схеме эмиттерного повторителя. Благодаря стабильности напряжения на базе транзистора, напряжение на резисторе R тоже постоянно. В силу закона Ома ток на резисторе также не меняется. Так как ток резистора равен току эмиттера, то стабильны токи эмиттера и коллектора транзистора. Включая нагрузку в цепь коллектора, мы получим стабилизированный ток.
2. Схема б). В схеме, напряжение на резисторе R стабилизируется следующим образом. При увеличении падения напряжения на R, больше открывается первый транзистор. Это приводит к уменьшению тока базы второго транзистора. Второй транзистор немного закрывается и напряжение на R стабилизируется.
3. Схема в). В третьей схеме ток стабилизации определяется начальным током полевого транзистора. Он не зависит от напряжения, приложенного между стоком и истоком.

В схемах а) и б) ток стабилизации определяется номиналом резистора R. Применяя вместо постоянного резистора подстрочный можно регулировать выходной ток стабилизаторов.

Производители электронных компонентов производят множество микросхем стабилизаторов для светодиодов. Поэтому в настоящее время в промышленных изделиях и в радиолюбительских конструкциях чаще применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Почитать про все возможные способы подключения светодиодов можно здесь.

Параметры LED COB 50W

• Мощность: 50 Вт
• Рабочее напряжение: 30-36 В
• Ток: 1500 мА ± 5%
• Яркость: 4700 лм
• Размеры: 52 мм X 40 мм

Зная стремление некоторых продавцов переоценивать параметры своей продукции, решено посмотреть, действительно ли этот светодиод достигает мощности 50 Вт.

Конечно такому светодиодному модулю необходимо хорошее охлаждение — даже если он должен поработать только короткое время. Его вообще нельзя включать без радиатора. По этой причине выбран один из самых больших радиаторов, которые были под рукой, и просверлено в нем четыре отверстия для установки модуля. Хотя по хорошему счёту этот радиатор должен быть намного больше, особенно для непрерывной работы.

Использовалась термопаста, чтобы улучшить контакт светодиода с радиатором. Модуль питается от постоянного тока, полярность обозначена на корпусе. К выводам лучше припаять провода соответствующего цвета, чтоб не путаться (хотя он от переполюсовки всё-равно не сгорит). Для питания использован лабораторный блок питания. Он предлагает регулировку напряжения и тока в диапазоне от 0 до 60 В и от 0 до 3 А. Дополнительно задействованы токоизмерительные клещи UT210E и мультиметр BM857 для измерения напряжения.

Схема подключения трансформатора

Все провода нужно подключать последовательно, т.е. к разъемам самих матриц если в левую половину подключаешь красный провод, то и в остальных разъемах нужно подключать также.

Если говорить проще, то от светодиодных матриц отходят двужильные провода: красный и черный. Их нужно скрутить в общую скрутку: плюсовые провода — в одну смотку (условно плюс), черные провода — в другую смотку (условно минус). Затем подключить к блоку питания.

При неправильном подключении ничего не перегорит, просто светодиоды замкнуться и не будут светиться.

Смешанное управление яркостью

Некоторые микросхемы драйверов светодиодов поддерживают функцию, называемую «импульсно-аналоговое диммирование». Входы диммирования таких микросхем принимают аналоговый сигнал и преобразуют его в ШИМ сигнал управления яркостью. Частота ШИМ постоянна, а коэффициент заполнения пропорционален уровню входного аналогового напряжения.

Такое смешанное управление очень полезно в тех приложениях освещения, где отсутствует управляющий микроконтроллер. Оно может также использоваться для реализации прогрессирующего ограничения тока, когда ток светодиода уменьшается ШИМ-диммированием, если температура платы светодиодов превысит установленный предел.

Трансформатор для светодиодов

Для обеспечения корректного питания светодиодных элементов, как и для питания галогенных источников, необходимо низкое напряжение, однако если в галогенных лампах может применяться как постоянное, так и переменное напряжение, то для работы светодиодных источников света необходимо только постоянное напряжение, величина которого обуславливается излучаемым цветом

• для красных светодиодов около 2 вольт,
• для зеленых около 3 вольт,
• для белых и синих примерно 4 вольта.

Малая единичная мощность светодиодов определяет их редкое применение по одному, обычно используют группы светодиодов, соединяемые в последовательные цепи. Общее количество светодиодов в цепях должно отвечать условию, при котором их общее напряжение должно быть чуть меньше традиционных значений 12 и 24 вольт, созданные таким образом цепи подключаются к источникам напряжения необходимых номиналов через определенные сопротивления. Учитывая то, что светодиоды функционируют на постоянном токе, в качестве ограничителей тока могут применяться лишь активные сопротивления.

Параметры тока

Так как величина номинального тока светодиодов достаточно низкая – 20 или 40 мА, а ограничивающие токи элементы не выполняют тех важных функций, как в газоразрядных лампах с их снижающимися вольтамперными свойствами, то эти элементы теряют совсем немного мощности – несколько сотых долей ватта. Абсолютное большинство компаний, выпускающих светодиодные источники света, изготавливают также и модули питания к ним, также называемые конверторами. Напряжение на выходе этих конверторов может составлять 8, 12 или 24 В, а наибольший допустимый ток 0, 5 А и выше.

Продукция

Настенный светодиодный светильник IP20, 5 Вт

Подвесные световые линии IP20, 27-33 Вт

Светодиодная лента IP67, 7,7-14,4 Вт

Встраиваемый светодиодный светильник IP20, 7-18 Вт

Мы поможем подобрать светильники на ваш объект

Поскольку номинальный ток светодиодных источников гораздо меньше максимально допустимого тока блоков питания, к одному блоку можно подключать довольно много светодиодных цепей.

Особенности подключения светодиодов к модулю питания

К примеру, к одному модулю питания с максимально допустимым током 1 А может быть подключено до 50 цепей со значением номинального тока 20 мА. Общее количество светодиодных элементов в одной цепи зависит от напряжения блока питания и цветностью самих светодиодов. Так, к модулю питания с напряжением 24 В можно подключать цепи, состоящие из шести белых, восьми зеленых или двенадцати красных источников. Следовательно, от одного блока питания с напряжением 24 В и допустимым током 1 А можно подключить в общей сложности 600 красных или 300 синих светодиодов, при этом вполне возможно подключать к одному блоку питания светодиоды различных цветов. Размеры такого модуля питания составляют не больше 120х60х20 мм.

Принцип работы блока питания. Возможности регулировки светового потока

Основной принцип функционирования блока питания схож с принципом функционирования электронных трансформаторов, применяющихся для галогенных источников света, однако в случае со светодиодами в блоке питания обязательно должно обеспечиваться выпрямление напряжения на выходе.

Светодиоды можно достаточно легко регулировать, что позволяет почти всем блокам питания функционировать в режиме регулирования, который, как и в случае с другими источниками света, может быть цифровым, аналоговым или потенциометрическим. Цифровое регулирование потока света, излучаемого светодиодами, дает возможность формировать неповторимые различные по цветодинамике картины. Последовательная смена цветов и яркости света может программироваться заранее. Оборудование, необходимое для программирования режимов цветодинамики, называется секвенсорами. Крупнейшие компании, выпускающие светодиоды и блоки питания к ним, в большинстве своем также производят секвенсоры и мощностные усилители с целью реализации одновременного подключения нескольких тысяч светодиодных элементов. К примеру, для создания больших рекламных табло, устанавливаемых во многих крупных городах, для обеспечения максимальной простоты включения светодиодов и для расширения сфер их применения крупнейшие компании Оsram, Vossloh-schwabe,Tridonic, Аtco производят уже готовые цепи светодиодов различных цветов в форме линеек комплектов светодиодов на единой плате и т. д. Подобные цепи, модули всегда оснащены ограничительными сопротивлениями, что обуславливает их прямое подключение к выходу блоков питания.

Почему перегорают светодиодные лампочки? Проводим эксперимент

Многие водители, меняющие автомобильные лампочки накаливания на светодиодные, отмечают недолгий срок жизни последних. Лампы либо прекращают светить, либо, что еще более неприятно, начинают хаотично подмаргивать. Почему это происходит – ведь светодиод, по сути, почти вечный прибор? Попробуем разобраться!

Локализация проблемы и чуть-чуть теории

Вот типичный пост с одного из «светодиодных» форумов:

— Поменял в машине лампы на светодиоды (никакого драйвера, тупо понижающие сопротивления) в плафоне салона, габаритах и подсветке багажника, через 3-4 месяца начал мерцать плафон в салоне (именно моргать как стробоскоп, одна линейка SMD-диодов, потом две), затем такая же мутотень с одним габаритом произошла. Поменял в плафоне лампу на новую — через 2 месяца эффект повторился. Вопрос — почему это происходит? Дело в качестве компонентов или тут другая проблема?

Ernesto

Попробуем разобраться! И начнем с теории. Светодиод питается строго определенным током, который нормирован производителем. Меньше – можно, больше – нельзя! Поэтому последовательно с «гирляндой» диодов включается элемент, ограничивающий или стабилизирующий ток через них до значения, рекомендованного производителем диодов.

Собственно, к долговечности диодов в лампах со встроенным стабилизатором тока (который часто называют «драйвером») нет претензий. Однако большинство продающихся сегодня LED-ламп небольшой мощности (габаритные огни, подсветка салона, приборной панели, поворотников и т.п.) – это лампы, сделанные без «драйвера», по упрощенной схеме: не со стабилизатором тока, а с ограничителем, роль которого выполняет простой резистор. С ним схема простейшей диодной лампочки небольшой мощности выглядит так:

Наиболее характерные неисправности таких светодиодных ламп:

• Полное перегорание – выход из строя одного диода в цепочке. Если цепочка в лампе одна, то из-за сгорания любого из диодов последовательная цепь разрывается, и лампа гаснет целиком.
• Частичное перегорание – выход из строя одной из цепочек, если их в лампе несколько. Не вызывает погасание, но яркость падает.
• Мерцание-«стробоскоп» – своеобразный дефект «умирающего» диода в цепочке, когда от перегрева меняется p-n-структура кристалла – на полупроводнике образуется нестабильная область, то пропускающая ток, то нет.

Так почему LED-лампочки перегорают? В чем кроется проблема их недолговечности? В том, что производители не используют стабилизаторы тока, а применяют элементарные резисторные ограничители? Отчасти да. но не только!

Даже простейший резистор неплохо выполняет свою функцию в качестве «бронежилета» для светодиодов, защищая их от избыточного тока и преждевременной гибели. Но только в том случае, если:

• Номинал этого резистора корректно рассчитан и обеспечивает безопасный ток через диоды;
• Напряжение питания стабильно.

А вот ни того, ни другого зачастую нет. Китайские горе-инженеры знают, что автовладельцы, как правило, покупают LED-лампочки по принципу: «А включите мне её, я посмотрю, как светит!». И продавцы готовы идти навстречу покупателям – у них всегда под рукой специальный стенд с разнообразными патронами и аккумулятором, на котором они готовы зажечь любую лампу на пробу. А раз клиент «любит глазами», то производители ламп рассуждают следующим образом – нужно поставить такой токоограничительный резистор, чтобы лампочка загорелась отчаянным светом и выглядела привлекательно даже на 10-11 вольтах питающего стенд старого аккумулятора, который давно не заряжался!

В итоге диоды лампы даже при 12 вольтах УЖЕ работают с перегрузкой, а после того, как двигатель завели, напряжение в бортсети, питающее диоды, поднимается с 12 до 14,2 вольт – а это, на минуточку, почти 20% разницы! Ток еще вырос – уже до опасных величин. Вырос ток – выросла температура кристаллов диодов, что дало лавинообразно еще больший рост тока – и диоды перешли в режим работы на износ!

Переходим к практике!

Чтобы продемонстрировать, как это выглядит, переходим к экспериментам – элементарным, но наглядным! Просто подадим на несколько наобум купленных диодных ламп стандартное для автомобильной бортсети напряжение 14,2 вольта и посмотрим на потребляемый лампой ток, разогрев лампы и дальнейший рост тока.

Протестируем пару разных моделей ламп типа W5W, лампу C5W, лампу-панель с цоколем C5W, а также влагозащищенные лампы в корпусе с креплением под болт, рассчитанные на монтаж в бампер в качестве ДХЛ:

Берем для начала лампу в виде светодиодного модуля-панели с выносным цоколем, как у стержневых ламп типа C5W и C10W. Предполагается, что этот модуль можно запихнуть в потолочный светильник автомобиля и подключить к контактам, предназначенным для штатной C5W. Модуль готовый, лепится на двусторонний скотч, рассчитан на простую установку своими руками.

При подаче на лампу 14,2 вольт она буквально бьет по глазам нездоровым светом и стремительно раскаляется в руках – потребляемый ток при включении составляет 0,58 ампера (более 8 ватт) и непрерывно растет от саморазогрева кристаллов – через пару минут он доходит до 0,71 ампера (это уже 10 ватт!) и продолжает повышаться. Держать лампу в руке даже в течение секунды становится невозможно, что говорит о том, что температура перевалила за 70-80 градусов, и это не предел. То, что диоды смонтированы на алюминиевой плате, служащей якобы неплохим теплоотводом, им совершенно не помогает!

Вывод: в погоне за яркостью китайцы запитали диоды в лампе экстремальным током, превышающим все здравомыслимые пределы, из-за чего такая лампа заранее обречена. Девайс оправдывает свое название – «бренд», породивший эту лампу, называется. Long Hui. Длинный, стало быть, вам «привет». Из Китая.

Следующим берем LED-аналог популярной бесцокольной пятиваттной автомобильной лампочки типоразмера W5W. Светодиодная W5W-лампа имеет упаковку, фасуется по 2 штуки в блистер, на котором имеется марка некоего российского дистрибьютора, но, по сути, она столь же косоглаза и беспородна, как и панелька Long Hui…

У приличных брендов, типа Osram или Philips, светодиодный аналог 5-ваттной лампы накаливания W5W потребляет 1 ватт, что соответствует току около 0,07 ампера. Китайский LED-аналог W5W, как видим, «кушает» значительно больше – 0,26 ампера (около 3,5 ватт) и также быстро разогревается до болезненных ощущений в ладони, тогда как рабочая температура таких диодов не должна превышать 45-50 градусов.

Вывод: лампа условно пригодна для кратковременной работы (скажем, в плафоне освещения багажника), но при долговременном режиме (скажем, в габаритных огнях) она тоже не жилец.

Еще одна лампа-аналог W5W. Лампа совсем уж беспородная – даже в сравнении с предыдущими, ибо продается без упаковки – «на развес». Яркость её ниже, чем у предыдущей, но и режим работы поэтому более правильный. После подачи на лампу напряжения 14,2 вольта она потребляет ток 0,14 ампера – лампа теплая, но не обжигающая, что свидетельствует о почти корректном режиме работы диодов.

Следующий «клиент» – плоская лампа стандарта C5W. Включаем, смотрим – лампа не слишком яркая, но потребляет меньше ватта и весьма умеренно греется. Должна жить долго.

Ну и под конец – лампочки, выполненные в формате болтов для установки в бампер. Жесть как она есть… Единственные, «благодаря» которым автору удалось получить реальный ожог ладони – пусть и несильный… Потребляют всего 0,2 ампера, но за счет алюминиевого корпуса нагреваются снаружи до полного изумления. Не глядя взяв лампочку в руку после горения в течение нескольких минут, был вынужден с матерщиной и визгом её выронить!

Предварительный, промежуточный вывод выглядит так – вставляя LED-лампочки в своих машинах вместо классических, довольные их яркостью и белым светом автовладельцы закрывают плафоны, фары и прочие светильники так и не узнав о том, что при напряжении 14,2 вольта лампы разогреваются до аварийной температуры…

Выводы

В конце хотелось бы озвучить четкие и исчерпывающие рекомендации по подбору качественных ламп. Но сделать это я не берусь вот по какой причине. Возьмем, к примеру, пресловутую лампочку W5W – пятиваттную, бесцокольную, повсеместно используемую в большинстве автомобилей. Классическая лампа накаливания W5W от хорошего бренда стоит 20-30 рублей. Её безымянный китайский светодиодный аналог стоит уже около 100 рублей – и он, хотя светит ярче, а энергии потребляет меньше, является лотереей в плане надежности. Может проработать долго, если китайцы не переборщили с яркостью и потреблением тока, а может «откинуться» через месяц-другой. Соответственно, светодиодная W5W хорошего бренда, типа упоминавшихся уже Osram или Philips, уж точно будет работать долго и счастливо, но при этом и стоит 500-800 рублей за пару, что лично мне видится за гранью добра и зла.

Собственно, советовать сакраментальное «покупайте бренд!» на фоне вышесказанного трудно, ибо слишком велик ценовой разрыв между качественной лампой накаливания и безымянной «диодкой», не говоря уже о «диодке» именитой. 30 рублей за верную «классику» со спиралькой против 100 рублей за диодную лотерею без гарантии. Или даже 30 против 250-300 за «диодку» европейского производства. Одна лампочка – это еще туда-сюда, но если вы хотите поменять несколько штук, то здравый смысл уже намекает на непродуктивность такого тюнинга, в особенности на фоне кризиса.

Попробуем подобраться к конструктивным и понятным обывателю выводам с другой стороны – как выбрать из изобилия недорогих безымянных китайских LED-лампочек такую, чтобы она служила долго? Теоретически сделать это можно, но вот практически. Чтобы прийти к правильным выводам, нужна слишком сложная процедура плюс навыки радиолюбителя. Взять в руки лампочку, изучить визуально диоды, опознать их породу, вспомнить, какой ток потребляет данный тип диодов, сосчитать их число и вычислить приблизительный потребляемый ток всей лампочки. После чего подать на лампу питание через амперметр и определить – близок ли потребляемый ток к номинальному или завышен. Бред?! Бред.

Другой вариант – купить дешевую LED-лампу и самостоятельно встроить в неё или впаять в разрыв подходящего к патрону провода подобранный резистор, снизив запредельную яркость и температуру диодов. Но тут опять-таки требуются электротехнические навыки и возня, что устроит не каждого.

Так что, похоже, круг замкнулся. Если вышеперечисленные варианты вам не подходят, то либо покупаем дорогой европейский бренд, либо экспериментируем с беспородными лампочками, меняя их одну за другой и ожидая, пока повезет, либо вовсе не вмешиваемся в конструкцию автомобиля и… ждем удешевления LED-девайсов!

Как определить параметры светодиода мультиметром?

Теперь, когда мы знаем, что номинальный ток многих светодиодов 20 мА, то достаточно просто определить их напряжение опытным путем. Для этого нам понадобится блок питания с регулировкой напряжения и мультиметр. Соединяем последовательно блок питания со светодиодом и мультиметром, предварительно установленным в режим измерения тока.

Блок питания изначально должен быть установлен на минимальное значение. Далее, изменяя величину подводимого к светодиоду напряжения, устанавливаем по показанию мультиметра ток 20 мА. После этого фиксируем значение величины подводимого напряжения либо по штатному вольтметру блока питания либо с помощью мультиметра, установленного в режим измерения напряжения.

Для страховки светодиода лучше последовательно к нему подсоединить резистор ом на 300. Но в этому случае напряжение необходимо фиксировать непосредственно на нем.

Поскольку не у всех есть блок питания с регулировкой напряжения, то можно определять параметры и исправность маломощных светодиодов с помощью следующих элементов:

1. Крона (батарейка на 9 В).
2. Резистор ом на 200.
3. Переменный резистор, он же потенциометр на 1 кОм.
4. Мультиметр.

Испытуемый светодиод соединяем последовательно с постоянным резисторов, потом с переменным, далее с кроной и щупами мультиметра, установленного в режим измерения постоянного тока.

Очередность соединения всех элементов не имеет никакого значения, поскольку цепь последовательная, а это значит, что через все компоненты протекает один и тот же ток.

Изначально переменным резистором следует установить минимальное напряжение, а потом постепенно увеличивать до тех пор, пока ток не достигнет 20 мА. После этого выполняется измерение напряжения.

С помощью рассмотренного способа не получится определить параметры мощного светодиода вследствие протекания значительного тока через резисторы. В результате чего последние могут перегреться. Однако определить исправность его вполне возможно.