Способы подключения мощных светодиодов к драйверам серии RCD-24, часть 2

В статье приведены основные факторы, влия­ющие на диапазон рабочих температур мощ­ных светодиодов и срок их службы. Даны схемы подключения светодиодов к драйверам серии RCD-24, обеспечивающие регулировку тока через светодиоды для предотвращения их перегрева.

Г. Местечкина

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ СВЕТОДИОДОВ

Приведенные в схемы подключения мощных светодиодов к драйверам серии RCD-24 не обеспечивают компенсацию из­менения их характеристик в диапазоне ра­бочих температур. Варианты решения этой проблемы приведены во второй части ста­тьи .

Для обеспечения соответствия срока служ­бы мощных светодиодов данным, приведен­ным в data sheet, необходимо устанавливать их на эффективные теплоотводы. При такой постановке задачи возникает вопрос, почему, обеспечивая высокий КПД и соответственно малые потери мощности, светодиоды разогре­ваются. На интуитивном уровне трудно по­нять, почему светодиод, излучающий световой поток в 50 лм на один ватт затраченной энер­гии, требует более тщательного подхода к отводу тепла, чем, скажем, прожектор или фара с меньшим КПД.

Помочь разобраться в этом может следую­щий пример: галогенный прожектор с потреб­ляемой мощностью 100 Вт обеспечивает мощ­ность излучения света 5 Вт, остальные 95 Вт расходуемой мощности распределяются на ин­фракрасное излучение в окружающую среду (80 Вт) и мощность, выделяющуюся в виде теп­ла в корпусе прожектора (всего 15 Вт). При этом светодиод с потребляемой мощностью 50 Вт также излучает 5 Вт полезной мощности, но остальные 45 Вт полностью выделяются в его корпусе. Поэтому, хотя КПД светодиода вдвое превышает КПД лампы накаливания, его корпус должен обеспечивать возможность рас­сеяния в три раза большей тепловой энергии.

Еще одним важным отличием светодиодно­го источника света от лампы накаливания яв­ляется то, что лампа рассчитана на высокую рабочую температуру нагрева (ее нить нагрева­ется до температуры 3000 °С), в то время как жизненный цикл светодиода резко уменьшает­ся, если температура pn-перехода в нем превы­шает 100 °С, что хорошо видно из таблицы.

Зависимость срока службы светодиода от температуры pn-перехода

* При 50% коэффициенте выживаемости (вероятности неразрушения).

Кроме того, хотя в мощных светодиодах интенсивность излучения зависит от темпе­ратуры перехода, приводимые в data sheet данные относятся только к типовой темпера­туре среды 25 °С, в то время как при темпера­туре перехода 65 °С светоотдача падает обыч­но на 10%, а при 100 °С – на 20%, как видно из рис. 1.

Рис. 1. Зависимость светоотдачи светодиода от температуры перехода

Итак, в грамотно сконструированных све­тодиодных лампах максимальная температура корпуса должна быть около 65 °С. Единствен­ной возможностью обеспечения температуры светодиода, не превышающей допустимого уровня, является ее регулирование.

Далее приведен ряд способов снижения тем­пературы светодиода. Светодиод может рабо­тать с полной светоотдачей только при усло­вии, если используемый теплоотвод рассчитан на соответствующую температуру окружающей среды, для работы при более высокой тем­пературе его мощность излучения (пропорцио­нальная протекающему через него току) долж­на быть понижена, как показано на рис. 2. Как только температура светодиода превышает гранично допустимую, уровень протекающего через него тока должен быть уменьшен, чтобы предотвратить перегрев светодиода. Точка графика рис. 2, соответствующая температуре 55 °С, является отправной, после достижения которой ток через светодиод должен снижать­ся по линейному закону, при этом температура теплоотвода не будет превышать 55 °С, темпе­ратура светодиода – 70 °С, температура pn- перехода – 90 °С, а запас по максимально до­пустимой температуре светодиода в 10 °С поз­волит обеспечить его надежную и продолжи­тельную работу.

Рис. 2. Рекомендуемая зависимость тока через светодиод от его температуры

СПОСОБЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ ТОКА ЧЕРЕЗ СВЕТОДИОД ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЕГО ПЕРЕГРЕВА

Если в драйвере имеется вход управления его выходным током для изменения излучае­мого светодиодом светового потока, то с ис­пользованием внешнего температурного сенсо­ра и дополнительных цепей можно управлять величиной протекающего через светодиод тока для предотвращения его перегрева.

Драйверы светодиодов серии RCD-24 име­ют два входа управления выходным током, которые могут использоваться автономно или совместно (суффикс Х1 в обозначении драйве­ра – аналоговое управление, Х2 – ШИМ- управление и Х3 – оба вида управления).

Защита светодиодов от перегрева с использованием термистора с положительным температурным коэффициентом (РТС)

Резисторы, сопротивление которых зависит от температуры среды (термисторы), часто, не­смотря на нелинейный характер этой зависи­мости (рис. 3), используются в системах регу­лировки температуры. Пока температура сре­ды не превышает порога в 70 °С сопротивление РТС-термистора невелико и составляет около 100 Ом. Выше этого температурного порога со­противление растет очень быстро: при 80 °С оно составляет 1 кОм, 90 °С – 10 кОм и при 100 °С – 100 кОм.

Рис. 3. Типовая зависимость сопротивления РТС-термистора от температуры

Рис. 4. Схема защиты цепи светодиодов от перегрева с использованием РТС- термистора (а) и график снижения тока через светодиоды (б)

Присоединив РТС-термистор к теплоотво­ду, можно обеспечить мониторинг его темпе­ратуры для реализации очень простого, недо­рогого и надежного способа предотвращения перегрева светодиода с использованием анало­гового входа драйвера серии RCD-24 для регу­лировки его выходного тока. На рис. 4, а по­казана схема подключения цепи светодиодов VD1-VD7 к драйверу RCD-24-0.35 с возмож­ностью регулировки тока через светодиоды с использованием РТС-термистора. На рис. 4, б приведен график снижения тока через цепь светодиодов VD1-VD7 при повышении их тем­пературы (красная линия) до уровня, соответ­ствующего максимально допустимой темпера­туре pn-перехода светодиода – 100 °С.

Аналоговое управление выходным током драйвера может выполняться от внешнего ис­точника постоянного напряжения или от ис­точника напряжения питания драйвера, если оно фиксировано, с использованием РТС-тер- мистора и двух резисторов, единственных до­полнительных компонентов, необходимых для автоматической регулировки температуры светодиодов.

Если необходимо устанавливать различные температурные пороги, выбираются термисто­ры с соответствующими пороговыми темпера­турами с шагом 10 °С, начиная с 60 и заканчи­вая 130 °С. Это позволяет простым путем сде­лать правильный выбор тока через светодиод, соответствующего требованиям data sheet. Если напряжение источника питания драйве­ра изменяется, можно использовать дополни­тельный стабилитрон или линейный стабили­затор напряжения для получения стабильного напряжения на входе управления выходным током драйвера.

Защита светодиодов от перегрева с использованием микросхемы аналогового температурного сенсора

Имеется множество микросхем температур­ных сенсоров, обеспечивающих линейность температурной характеристики. Они ненамно­го дороже РТС-термисторов, имеют преимуще­ство в линейности передаточной характеристи­ки и обеспечивают высокую точность компен­сации изменения температуры, поэтому темпе­ратурный мониторинг с разрешением меньше 1 °С вполне реален. Для усиления выходного сигнала датчика до требуемого для управления драйвером уровня напряжения чаще всего ис­пользуется операционный усилитель.

В схеме, представленной на рис. 5, исполь­зуется микросхема датчика температуры и два операционных усилителя. Такие изделия вы­пускаются многими производителями (так, компания Analog Devices – ADI – выпускает термосенсоры типа TMP35/36/37, аналогич­ные по параметрам термосенсорам LM60 компании National Semiconductor). Сигнал с выхо­да усилителя передается на вход аналогового управления выходным током драйвера серии RCD-ххВ, чем обеспечивается возможность управления яркостью свечения светодиодов (по линейному закону) и соответствующее из­менение температуры корпуса. На выходе дат­чика формируется напряжение, пропорцио­нальное его температуре. Датчик откалибро­ван с коэффициентом передачи К, равным: К = 10 мВ/°С + 600 мВ, т.е. при температуре светодиода 55 °С на выходе датчика форми­руется напряжение 1.15 В. ИМС LM10 содер­жит два слаботочных ОУ и прецизионный ис­точник опорного напряжения 200 мВ. Путем выбора предварительного смещения и соот­ветствующего коэффициента усиления на­пряжение на аналоговом входе управления драйвером устанавливается таким, чтобы при температуре светодиода 100 °С через него протекал ток величиной 50% номинального значения. Достоинством такого решения яв­ляется то, что только один элемент (ИМС LM10) необходим для компенсации измене­ний, вызванных воздействием температуры среды на характеристики светодиодов раз­ных производителей.

Рис. 5. Схема защиты светодиодов от перегрева с использованием ИМС аналогового датчика температуры

Защита светодиодов от перегрева с использованием микроконтроллера

Регулировка выходного тока преобразова­теля RCD-24 обеспечивается также с использо­ванием входа ШИМ-управления. Частота им­пульсов управления включением и выключе­нием светодиода выбирается такой, чтобы глаз человека не воспринимал пульсаций светового потока. Если светодиод большую часть перио­да управляющего сигнала выключен, это при­водит к уменьшению яркости и наоборот. По­скольку ШИМ-вход преобразователя рассчи­тан на входные сигналы логического уровня, применение микроконтроллера для управле­ния яркостью светового потока является иде­альным решением.

Имеется ряд ИМС, преобразующих темпе­ратуру светодиода в ШИМ-сигнал управления (например, контроллеры управления венти­ляторами типа MAX6673 компании MAXIM, TMP05 компании ADI и др.), но для некото­рых встроенных интеллектуальных ИМС тре­буется установка пороговой температуры и параметров ШИМ-сигнала с учетом ухудше­ния параметров светодиодов при эксплуата­ции. Поэтому для такого случая наиболее простым является использование микроконт­роллера.

В схеме, приведенной на рис. 6, микроконт­роллер используется для мониторинга и управления восьмью драйверами светодиодов. Поскольку необходимо только шесть вход- ных/выходных выводов, можно использовать свободные порты для управления большим числом драйверов светодиодов или передачи дистанционно сигнала тревоги при перегреве светодиодов. В этом примере температурные сенсоры реализованы на ИМС MAX6575L/H, отличающихся малым потреблением. До вось­ми температурных сенсоров могут подклю­чаться через трехпроводной интерфейс. Про­стым решением может быть также применение других микросхем, совместимых с температурными датчиками разных производителей, например, выпускаемых компанией ADI ИМС TMP05, AD7314, AD7414 и AD7814, а также более точного датчика ADT7301.

ИМС 74НС259, отличающаяся малым по­треблением и содержащая 8 триггеров, управ­ляемых через схему адресации, позволяет од­новременно включить все драйверы, а микро­процессор генерирует восемь ШИМ-сигналов для управления через соответствующее время задержки каждым драйвером индивидуально. Альтернативой, если микроконтроллер имеет 12С-интерфейс, является использование ряда программируемых ШИМ-генераторов, напри­мер, РСА9635.

Рис. 6. Схема индивидуальной защиты восьми светодиодов от перегрева с использованием микропроцессора

В следующей части статьи будут представ­лены решения для компенсации снижения яр­кости свечения светодиодов при их длительной эксплуатации, регулировки яркости при изменении освещенности помещения и др., позволяющие повысить эффективность приме­нения светодиодов в различных областях элек­тронной техники.