Способы подключения мощных светодиодов к драйверам серии rcd-24, часть 1

В статье приведены основные характеристики светодио­дов и способы подключения мощ­ных светодиодов белого цвета свечения к модулям драйверов серии RCD-24.

Г. Местечкина

ВВЕДЕНИЕ

Светоизлучающие диоды или светодиоды появились в середине 60 годов XX века, уже в середине 70 годов мировое производство свето­диодов перешагнуло миллиардную отметку, а в середине 90 — 25-миллиардную [1]. И несмот­ря на то, что первые светодиоды имели ограни­ченное число цветов свечения — красный, жел­тый и зеленоватый, они сразу же нашли широ­кое применение не только как индикаторы вкл./выкл., тревоги и пр. в радиоэлектронной аппаратуре и бытовой технике, но и в датчи­ках (например, частоты вращения, уровня жидкости, давления и т.д.), устройствах кон­троля и измерения и мн.др. [1].

Когда в начале 90 годов прошлого столетия малоизвестная японская фирма Hure предста­вила на рынке светодиоды в десятки раз более яркие и при этом тех цветов, которых недоста­вало ранее: сочно-зеленого, синего, фиолетово­го и, наконец, белого, это вызвало бум в их производстве и применении во всем мире [1].

Столь широкую популярность светодиоды приобрели благодаря множеству преимуществ перед традиционными источниками света: ма­лой рассеиваемой мощности, большому сроку эксплуатации, высокой устойчивости к внеш­ним воздействием, малым размерам и высокой частоте переключения, а также малым экс­плуатационным расходам.

Перечисленные выше достоинства свето­диодов стимулировали продолжение научно­технических изысканий в области светотехни­ки. И если вначале светодиодам отводилась роль маломощных источников света, то со вре­менем их светоотдача выросла настолько, что они стали использоваться и в качестве осветительных приборов в автомобилях, в светофо­рах и дорожных знаках, в декоративных и рек­ламных панно, а в последнее время — и в осве­щении бытовых и служебных помещений.

Преимущества светодиодов позволили им стать конкурентоспособными не только в сравнении с лампами накаливания, но и с бо­лее экономичными люминесцентными и гало­генными источниками света.

Долговечность светодиодов, соизмеримая со сроками службы полупроводниковых компо­нентов, обеспечиваемое благодаря этому сни­жение эксплуатационных затрат по обслужи­ванию устройств с их применением, простота регулировки силы света, а также их экономич­ность, отвечающая все более ужесточающимся требованиям энергосбережения, не вызывают сомнений в том, что светодиоды еще не раскры­ли весь потенциал возможностей их примене­ния. И хотя их стоимость пока достаточно вы­сока (типовая цена мощных светодиодов белого свечения, о применении которых пойдет даль­ше речь, составляет $ 0.8 в пересчете на ватт рассеиваемой мощности), но большой срок экс­плуатации, существенная экономия энергопо­требления и универсальность применения яв­ляются весомой предпосылкой дальнейшего совершенствования светодиодной техники.

Все высказанное справедливо при выполне­нии ряда требований, связанных с условиями эксплуатации светодиодов, включая регламен­тированные значения протекающего через них прямого тока, обеспечение отвода излучаемого ими тепла и допустимого диапазона темпера­тур окружающей среды и пр.

Широкий спектр областей применения све­тодиодов, в том числе слаботочных (предназначенных для подсветки экранов мобильных телефонов и панелей управления автомобилей, индикации режимов аудио- и видеотехники и др.), сверхъярких и мощных (применяемых в световой рекламе, системах освещения, на транспорте и пр.) определяет и большой ассор­тимент выпускаемых драйверов светодиодов, различающихся в основном выходными тока­ми и напряжениями, а также диапазоном входных напряжений.

Поскольку с каждым днем расширяются области применения светодиодов, то и потреб­ность в драйверах для их питания постоянно растет и удовлетворяется предложениями мно­гих фирм и компаний, специализирующихся на разработке и выпуске модулей источников питания для электронных устройств и вклю­чивших драйверы светодиодов в ассортимент выпускаемой продукции. К ним относится и компания Recom, один из лидеров в производ­стве AC/DC- и DC/DC-преобразователей со ста­билизацией не только выходного напряжения, но и тока нагрузки.

Именно о драйверах светодиодов серии RCD-24, выпускаемых компанией Recom, и их использовании для питания мощных свето­диодов с белым цветом свечения пойдет далее речь. Но прежде остановимся на особенностях характеристик светодиодов, являющихся на­грузкой драйверов и определяющих требова­ния к ним.

Рис. 1. Вольтамперная характеристика мощного светодиода

Одной из основных является вольтамперная характеристика светодиода, представляю­щая собой график зависимости протекающего через него прямого тока (I) от напряжения (U_пр) на нем (рис. 1). Будет уместным добавить, что вольтамперная характеристика зависит также от температуры светодиода. Не менее важными являются зависимости излучаемого светодиодом светового потока Ф от величины протекающего через него тока Ф=f(Iпр) (рис. 2) и температуры светодиода, носящие линейный характер.

Последняя зависимость может быть выра­жена через температурный коэффициент К_Т, вычисляемый по формуле [2]

где ΔФ — величина изменения интенсивности излучения светодиода, Фмакс — максимальная интенсивность излучения, ΔТ — изменение температуры светодиода.

Кроме того, приводимое в data sheet свето­диода значение прямого падения напряжения на нем при одном и том же прямом токе имеет погрешность около 20%, в результате чего даже отобранные из одной партии светодиоды имеют большой разброс по величине U_пр (рис. 3). В связи с этим при последовательном соединении светодиодов для обеспечения тре­буемой яркости свечения каждого необходимо подключать их к источнику тока (рис. 4), а не напряжения, что и должно обеспечиваться драйвером светодиода.

Необходимость питания светодиода от ис­точника тока связана также с тем, что при повышении температуры его вольтамперная характеристика смещается влево (из-за отри­цательного температурного коэффициента напряжения U_пр и соответственно его умень­шения), что при питании от источника на­пряжения приводит к увеличению тока через светодиод.

При этом не следует забывать, что, как было сказано выше, увеличение температуры приводит к снижению интенсивности свече­ния светодиода и для ее поддержания может понадобиться увеличение тока I _пр.

Рис. 2. Зависимость светового потока от тока через светодиод

Рис. 3. Сравнительные вольтамперные характеристики светодиодов

Рис. 4. Цепь соединенных последовательно светодиодов

ИСТОЧНИКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Источник постоянного напряжения, к кото­рому через резистор подключаются светодио­ды, является простейшим источником посто­янного по величине тока [3]. На рис. 5, а пока­зана схема такого подключения, сопротивле­ние резистора в которой рассчитывается по формуле

R 1 = ( U пит-U n,J/I пр,

где U_пит — напряжение источника, U _прЕ=( U_{пр VD 1}+ +U _{пр VD 2}+U_{пр VD 3}) — сумма прямых напряжений включенных последовательно светодиодов, а I_пр — ток, протекающий через светодиоды. Из анализа формулы очевидно, что о стабиль­ности тока через светодиоды говорить не при­ходится, т.к. с изменением как напряжения питания, так и прямого напряжения на свето­диодах величина тока и соответственно яр­кость свечения будут существенно изменять­ся. Кроме того, такое решение, хотя и отлича­ется простотой и экономичностью, влечет за собой большие потери мощности.

Много дорогих светодиодных ламп, приме­няемых взамен низковольтных галогенных, подключаются с использованием этого метода. Необходимо, однако, сказать, что если в одном из светодиодов лампы произойдет КЗ при отка­зе, ток через резистор увеличится, что вызовет его перегрев и относительно быстро может привести к выходу лампы из строя, в том чис­ле и из-за увеличения тока через светодиоды.

Для создания источника постоянного тока можно также использовать стандартный ли­нейный стабилизатор тока (рис. 5, б). Внутрен­няя цепь обратной связи этого преобразовате­ля поддерживает стабильность тока с погреш­ностью около ±5%, но из-за низкого КПД он имеет большую рассеиваемую мощность и для отвода излучаемого им тепла необходимо уста­навливать стабилизатор на теплоотвод.

Лишенным вышеперечисленных недостат­ков является импульсный стабилизатор тока (рис. 5, в). Хотя такие драйверы более дороги, чем примененные в описанных выше реше­ниях, обеспечиваемая ими погрешность поддер­жания заданной величины выходного тока не выходит за пределы ±3% (в широком диапазоне токов через светодиод), а величина КПД может достигать 96%. Это означает, что только 4% по­требляемой энергии теряется в виде выделяемого ими тепла, и позволяет расширить диапазон рабочих температур таких драйверов до более высоких температур окружающей среды.

Одним из важных различий между решения­ми, показанными на рис. 5, являются также диапазоны входных и выходных напряжений.

Импульсный драйвер имеет широкий диа­пазон входных и выходных напряжений, при которых на его выходе обеспечивается ста­бильный выходной ток. Так, например, драй­вер светодиодов серии RCD 24-0.35 компании Recom работает в диапазоне от 4.5 до 36 В вход­ного напряжения и обеспечивает диапазон вы­ходного напряжения от 2 до 34 В при токе на­грузки до 0.35 А [4, 5].

Этот драйвер обеспечивает не только широкий диапазон выходного напряжения, что позволяет получить множество различных комбинаций подключения светодиодов, но и возможность ре­гулировки силы света в широких пределах.

Два показанных на рис. 5 решения (а и б) могут создать большие проблемы, если необхо­димо подключить только один светодиод, т.к. на резисторе или на линейном стабилизаторе будет большое падение напряжения, что повы­сит потери мощности. Диапазон входных на­пряжений для них также будет ограничен по тем же причинам.

Рис. 5. Примеры источников постоянного тока для светодиодов 

СОЕДИНЕНИЕ СВЕТОДИОДОВ В ЦЕПИ

По сложившейся традиции рабочим током для мощных светодиодов белого цвета свечения принят постоянный ток величиной 350 мА при прямом падении напряжения около 3 В и по­требляемой мощности 1 Вт (3 Вх0.35 А ~ 1 Вт) [3]. Именно потребляемой мощностью характери- зируются светодиоды среди их производите­лей и потребителей, так же, как традиционные лампы накаливания.

Большинство DC/DC-драйверов постоянного тока являются понижающими преобразователя­ми. Это означает, что максимальное напряже­ние на их выходе меньше, чем входное. Таким образом, максимальное число светодиодов, ко­торые могут быть подключены к драйверу, опре­деляется уровнем входного напряжения. В таб­лице показана зависимость максимально воз­можного числа подключаемых последовательно светодиодов от уровня входного напряжения (при падении напряжения на драйвере, равном 1 В). Их подсчет можно сделать из соотношения N = Uвых/U_пр, где N — число последовательно со­единенных светодиодов, Uвых — напряжение на выходе имеющегося в распоряжении пользова­теля преобразователя, U_пр — прямое падение на­пряжения на светодиоде, приняв, что U_п = 3.3 В.

Если входное напряжение нестабильно (на­пример, при питании от аккумулятора), мак­симальное число светодиодов должно быть вы­брано с учетом минимально возможного вход­ного и соответственно выходного напряжения драйвера.

Для увеличения числа светодиодов можно или использовать повышающий преобразова­тель, в котором выходное напряжение выше входного, или применить две или более цепей светодиодов, включенных параллельно. Для обеспечения в каждой из цепей светодиодов тока 350 мА его общий выходной ток должен быть больше суммы токов, необходимых для каждой из цепей. Т.е. одиночная цепь требует выходного тока драйвера 350 мА, две парал­лельных цепи — драйвера с выходным током 700 мА, а три — 1.05 А и т.д.

Поэтому, выбирая драйвер, следует пом­нить о зависимости числа светодиодов, кото­рые необходимо подключить, от входного на­пряжения драйвера, а также его выходного тока.

На рис. 6 показаны возможные комбинации создания цепей светодиодов для источника на­пряжения 12 В с использованием белых свето­диодов с рассеиваемой мощностью 1 Вт.

Зависимость числа последовательно подключаемых светодиодов от уровня входного напряжения драйвера

* Число светодиодов, которые могут быть подключены к драйверу, рассчитывается, исходя из уровня U_пр, данного в data sheet. На практике при повышении температуры окружающей среды величина U_пр суще­ственно снижается. Принятые значения U _пр (при температуре 25 °С) согласно data sheet составляют 3.3 В — мин., 3.6 В — типов. и 3.9 — макс. Поэтому источник с напряжением. 24 В на входе позволяет подклю­чать до 6 светодиодов, а с 36 В — до 9.

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ЦЕПЕЙ СВЕТОДИОДОВ

Подключение одной цепи светодиодов к драйверу, являющемуся источником тока, — наиболее простой и верный метод, хотя в слу­чае, если один из светодиодов выйдет из строя с разрывом цепи, ток через остальные свето­диоды проходить не будет. Однако, если в лю­бом из светодиодов произойдет КЗ, ток через остальные светодиоды проходить будет по- прежнему. Включение параллельно несколь­ких цепей светодиодов [3] в сравнении с одной цепью позволяет подключить больше свето­диодов (что является достоинством такого ре­шения), но в случае выхода из строя одного из них возникает опасность отказа из-за повыше­ния тока через оставшиеся цепи.

При двух цепях, включенных параллельно, если один из светодиодов выйдет из строя с разрывом цепи, ток 700 мА потечет через цепь оставшихся светодиодов и, естественно, это также приведет к выходу одного из них из строя через короткое время.

С тремя цепями включенных параллельно светодиодов, если один светодиод выйдет из строя, ток 1 А перераспределится между двумя оставшимися цепями, что приведет к пере­грузке, т.к. по каждой из цепей будет проте­кать ток около 0.5 А. Продолжительность ра­боты светодиодов при таком токе зависит от условий отвода излучаемого ими тепла, но в конечном счете перегрузка вызовет отказ сле­дующего светодиода и тогда через третью цепь потечет весь ток 1 А, что приведет к неминуе­мому отказу и в ней.

Если в любом из светодиодов произойдет КЗ, это вызовет большой разбаланс токов с уве­личением тока через цепь, в которой установ­лен отказавший светодиод. Это приведет в ре­зультате к отказу в этой цепи и возникновению “эффекта домино”, т.е. к отказу во всех цепях, как описано выше.

Мощные светодиоды очень надежны в рабо­те, так что описанные выше отказы могут и не произойти и чаще всего не возникают. Поэто­му многие разработчики светодиодных устройств выбирают более удобное в эксплуа­тации экономичное подключение нескольких цепей и идут на риск, зная, что при таком включении с выходом одного светодиода мо­жет произойти отказ всего устройства.

Рис. 6. Примеры подключения цепей светодиодов

БАЛАНСИРОВКА ТОКОВ ЧЕРЕЗ

СВЕТОДИОДЫ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ ЦЕПЕЙ СВЕТОДИОДОВ

Очень важным при параллельном соедине­нии нескольких цепей светодиодов является вопрос балансировки токов, протекающих че­рез каждую из них [3]. При включении двух или трех цепей светодиодов возникают различ­ные комбинации падений напряжения на них. Драйвер светодиода вырабатывает на выходе постоянный ток, но т.к. комбинации прямых падений напряжения на светодиодах каждой из цепей различны, токи в каждой из них бу­дут разными.

На рис. 7 показан разбаланс токов, который не может вызвать отказ в цепи, поэтому обе цепи будут работать надежно, однако это при­ведет к появлению разницы в 6% в светоотдаче двух цепей.

Рис. 7. Разбаланс токов, протекающих во включенных параллельно цепях светодиодов

Исключить разбаланс токов в цепях можно, используя для питания каждой из них отдель­ный драйвер или применив внешние цепи для балансировки токов. Последнее решение обес­печивает “токовое зеркало”.

Токовое зеркало (рис. 8) — схема, получившая свое название благодаря тому, что при равенстве эмиттерных токов входящих в него транзисторов VT1 и VT2 ток транзистора VT2 является как бы зеркальным отображением тока, протекающего через транзистор VT1, основным назначением которого является формирование напряжения смещения на базе транзистора VT2. Обязатель­ным условием нормальной работы схемы токово­го зеркала является обеспечение работы транзи­стора VT2 в активном режиме, для чего напря­жение на его коллекторе должно превышать на пряжение на базе. Для схемы, приведенной на рис. 8, со светодиодами в нагрузке выполнение этого условия достигается, если

( UпрVD1+ UпрVD2+*»* UпрVD10) >

> ^{( U}прVD 11+ ^UпрVD 12+»‘ ^UпрVD20^).

Рис. 8. Балансировка токов с использованием токового зеркала

Однако с учетом 20% разброса напряжения Uпр в ряде случаев выполнение условий этого неравенства может не обеспечиваться. В ре­зультате схема работать не будет. Во избежа­ние этого можно предложить два решения. Во- первых, можно установить в цепь коллектора транзистора VT1 дополнительный резистор R3, рассчитав его сопротивление для худшей комбинации напряжений Uпр в каждой из це­пей светодиодов по формуле

R3 > (U2 — U1)/Iпр,

где ^U1 = ^Uпр.минn 1, ^U2= ^Uпр.максn2, Iпр ^— прямой Ток через светодиоды, а n 1, n2 — число светодиодов в каждой из цепей соответственно. Во-вторых, можно уменьшить число светодиодов в цепи транзистора VT2, зная, какой должна быть разница между напряжениями U₂ и U₁, и поде­лив ее на Uпр, чтобы определить, сколько све­тодиодов нужно исключить.

Например: для первого решения при числе светодиодов в каждой цепи, равном 10, U 1 = 3.3×10=33 В, U 2=3.9×10=39 В сопротив­ление резистора R3 должно быть больше (39-33)/0.35=17 Ом (с рассеиваемой мощ­ностью не менее 2 Вт). Для второго решения число светодиодов, на которое необходимо уменьшить их количество в цепи транзистора VT 2, находим из расчета (39-33)/3.3>1.8. Оста­ется исключить из цепи транзистора VT2 два светодиода для обеспечения нормальной рабо­ты схемы.

Токовое зеркало также позволяет защитить светодиоды от выхода из строя. Если какой- либо светодиод в первой цепи выходит из строя и происходит ее разрыв, то вторая цепь защи­щена (эталонный ток равен нулю и ток во вто­рой цепи также падает до нуля). Точно так же, если один из светодиодов выходит из строя с образованием в нем КЗ, токи в обеих цепях остаются сбалансированными.

Однако, если один из светодиодов во второй цепи выходит из строя с разрывом цепи, то то ковое зеркало не защищает светодиоды первой цепи от перегрузки. Кроме того, применение токового зеркала возможно для трех и более цепей светодиодов.

Когда показанное на рис. 8 схемное реше­ние было впервые опубликовано, оно вызвало критику, связанную с тем, что токовое зерка­ло — не идеальное решение даже при условии добавления в цепь эмиттеров резисторов со­противлением 1 Ом для улучшения баланси­ровки выходных токов. Это действительно так, но если необходимо обеспечить относи­тельно точный баланс токов, то токовое зерка­ло является пока простейшим и лучшим реше­нием в сравнении с автономным включением каждой лампы от отдельного драйвера.

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ ИЛИ СЕТЧАТАЯ МАТРИЦА (GRID ARRAY) —

ЧТО ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЕЕ?

Выше были рассмотрены последствия ситуа­ции, при которой с выходом светодиода из строя происходит разрыв цепи или КЗ в нем, причем чем больше цепей соединяются параллельно, тем меньше опасность того, что отказ в одной из цепей приведет к отказу всего устройства [3]. Так, если параллельно соединить пять цепей светодиодов, то при отказе светодиода в одной из них с разрывом цепи в оставшихся четырех це­пях произойдет увеличение тока только до 125% номинального значения. Светодиоды бу­дут светиться значительно ярче, но угроза отка­за будет маловероятной, особенно, если будет применен соответствующий теплоотвод.

Недостатком параллельного соединения многих цепей является то, что подобрать драй­вер с выходным током в несколько ампер мо­жет быть достаточно сложно, в том числе и с учетом его дороговизны.

На практике безопасным считается под­ключение к одному драйверу не более пяти па­раллельных цепей или использование не­скольких слаботочных драйверов взамен одно­го с большим выходным током, если необходи­мо подключить много светодиодов.

Использование параллельных цепей с боль­шим числом светодиодов в каждой — также хо­рошая идея, т.к. если в одном светодиоде про­изойдет КЗ, ток в цепи увеличится тем мень­ше, чем длиннее цепь светодиодов.

Рис. 9. Соединение светодиодов в параллельные цепи (а) или в сетчатую матрицу (б)

Следующим вопросом является, какое из со­единений светодиодов оптимальнее — индивиду­альные или кроссированные цепи с получением сетчатой матрицы светодиодов. В следующем примере (рис. 9) использовано 15 светодиодов в двух комбинациях (в обоих случаях применен один и тот же драйвер). Возможно соединение 15 светодиодов в пяти цепях по 3 в каждой, но более предпочтительно по надежности их соединение в три цепи по 5 светодиодов в каждой (рис. 9, а).

Преимуществом сетчатой матрицы (рис. 9, б) является то, что если один из светодиодов вый­дет из строя и при этом произойдет разрыв цепи, это не вызовет отказа всех колонок и только светодиоды в том ряду (горизонталь­ном), в котором установлен отказавший свето­диод, будут работать с перегрузкой. Если же в одном из светодиодов произойдет отказ с обра­зованием КЗ, то светодиоды в этом ряду не бу­дут загораться, но ток через остальные свето­диоды останется приемлемой величины.

Если важно, чтобы лампа с 15 светодиодами была надежной и продолжала излучать свет при выходе отдельных светодиодов из строя с образованием КЗ или разрыва цепи, решение сетчатой матрицы будет лучшим для выполне­ния этой задачи.

Вместе с тем, ее недостатком является то, что напряжение Uпр в каждом ряду усредняет­ся и его 20% разброс среди примененных све­тодиодов может означать, что светодиоды не будут обеспечивать одинаковую яркость и, кроме того, это может вызвать местный пере­грев и привести к сокращению срока службы отдельных светодиодов.

Если важно, чтобы лампа из 15 светодиодов излучала равномерный световой поток без пе­регрева отдельных светодиодов, тогда их со­единение в параллельные цепи является хоро­шим решением.

Если же требуется высокая точность и равномерность свечения, то лучшим являет­ся питание каждой из цепей от отдельного драйвера с выходным током 350 мА в каж­дой.

Особенности схемотехнических решений подключения светодиодов с учетом влияния температуры окружающей среды на их выход­ные характеристики будут изложены в сле­дующих номерах журнала ЭКиС.

Дополнительную информацию о продукции компании Recom можно получить в сети Ин­тернет по адресу: www.recom—international.com или в фирме VD MAIS — официальном дистри­бьюторе Recom в Украине.