Napájení LED, nejjednodušší ovladače
Při nákupu LED se velmi často objevuje otázka: „Kolik je to voltů? Samozřejmě, pokud se bavíme o LED lampě, modulu, pásku, panelu – kompletní zařízení, které již obsahuje řídící obvod nebo alespoň jen odpor – tak ano, vyrábí se pro standardní napětí. V naprosté většině se jedná o 12V DC nebo 220V AC. V průmyslových zařízeních existují jiné hodnoty napájecího napětí, ale v tomto článku se takových zařízení nedotkneme, ale podíváme se na to, jak správně napájet diskrétní LED pomocí nejjednodušších prostředků – bez hotových (a drahých) průmysloví řidiči.
Především je třeba připomenout, že téměř ve všech elektrických procesech není primárně důležité napětí, ale proud. Fyzika popisuje mechanický účinek proudu, chemický účinek proudu a tepelný účinek proudu. Ne napětí, ale proud. A jaké napětí je třeba použít, závisí na požadovaném proudu a odporu zátěže: U=IR (derivát Ohmova zákona).
A tentýž R (odpor) často není konstantní a závislost proudu na napětí je nelineární. I v běžné žárovce se odpor vlákna zvyšuje (jako u všech kovů) s rostoucí teplotou. Ale taková nelinearita je pro nás výhodná: proud se jakoby stabilizuje sám od sebe – jeho nárůst vede k zahřívání vlasu, tím se zvyšuje odpor, a proto působí proti dalšímu nárůstu proudu. To je důvod, proč lze žárovky napájet pevným napětím: požadovaný proud se nastaví automaticky.
S LED je to složitější. Jejich charakteristika proudového napětí (CVC), stejně jako u všech polovodičových diod, se při dosažení určitého napětí stává velmi strmou, téměř vertikální a sebemenší odchylka může způsobit výraznou změnu proudu. A dokonce i při velmi přesném a stabilním napětí může tepelný posun charakteristiky vést ke stejným výsledkům. A konečně, LED diody mají řadu parametrů a při stejném napětí se proud může značně lišit i pro zařízení ze stejné šarže.
Pracovní část charakteristiky leží ve velmi úzkém rozsahu napětí a závisí na vlnové délce vyzařovaného světla a materiálu LED: 1,5. 2,1 V pro arsenid galia (červená, oranžová, žlutá), ale více než 2,4 V pro červený AlInGaP. Tabulka pro všechny barvy a materiály je obsáhlá, ale obecně není pro výpočty potřeba. Napětí LED diod lze odečítat s dostatečnou přesností
- červená – 2 V,
- žlutá – 2,5 V,
- zelená – 3 V,
- modrá a bílá – 3,5V.
V zásadě by to mohla být odpověď na otázku z první věty článku, ovšem s tím, že jakákoliv odchylka napětí povede buď k vyhoření LED, nebo k tomu, že bude vyzařovat jen pár procent své nominální hodnoty. světelný tok.
LED by tedy měly být napájeny pouze pevným proudem (nikoli napětím!) a jednoduše jej omezit nebo stabilizovat s vysokou přesností – v závislosti na kvalitě osvětlení, účinnosti a životnosti požadovaného zářiče.
Při použití LED pro indikaci nebo osvětlení nízkého výkonu je zcela přijatelné zhasnout proud na úroveň 60-70% maximální přípustné hodnoty jednoduchým zapojením odporu do série s následujícím odporem:
R=(UU VD )/I, kde U je napájecí napětí, U VD je provozní napětí LED (nebo součet několika zapojených do série), I je požadovaný proud.
Výkon uvolněný rezistorem P=I 2 R při napájení nízkopříkonových LED z nízkonapěťových zdrojů obvykle nepřesahuje 100 mW a umožňuje použití malých dílů.
Maximální přípustný proud téměř všech nízkopříkonových diod (zcela plastové, bez podložky chladiče) je 20 mA a výkon není větší než 50 mW. Výjimkou jsou čtvercové „Piranhy“, které mohou obsahovat několik krystalů zapojených paralelně nebo velkoplošné krystaly a podle toho disipují až 200 mW. To není mnoho, ale v případě těsného umístění více LED to může způsobit citelné zahřívání, s čímž je třeba počítat při návrhu – zajistit konvekci vzduchu, neplnit tepelně izolačními polymery atd.
Vzorec ukazuje, že stejný proud lze získat s různými odpory – v závislosti na napětí a počtu LED. Například diodou s provozním napětím 14 V poteče při napájení ze zdroje 3 V přes odpor 12 ohmů asi 643 mA. A stejný proud, ale přes 3 podobné diody, zajistí rezistor 214 Ohm. V prvním případě bude změna proudu výrazně menší s odchylkami v napájecím napětí a teplotním driftem charakteristiky proud-napětí, ale ve druhém – 9krát menší ztráta energie na rezistoru (ve srovnání se spotřebou emitorů ). Dvousečný meč: nákladová efektivita versus stabilita a odolnost. V praxi stačí, aby LED diody fungovaly normálně, aby odpor klesl asi o třetinu až čtvrtinu napájecího napětí.
Pokud do této podmínky počet LED nezapadá (jejich celkové napětí přesahuje nebo je o něco menší než napětí zdroje), použije se skupinové zapojení několika paralelně zapojených sériových řetězců s rezistorem v každém. Prostě paralelní zapojení LED se používá pouze u levných čínských svítilen a nemůže zaručit rovnoměrné rozdělení proudu mezi zářiče ani stejné šarže, nemluvě o samostatně zakoupených součástkách.
Například je nutné napájet 10 bílých nízkoenergetických LED z 9 V zdroje (celkem stabilní, ne „bloudící“, jako palubní síť automobilu na 30-40%). V tomto případě můžete zvolit proud poměrně blízký maximálnímu přípustnému. Řekněme 17 mA.
Sériové připojení 3×3,5 V již není přijatelné: napájecí napětí nestačí. To znamená, že se usadíme na okruhu pěti řetězců po 2 diodách – přesně třetina napájení na rezistorech, odpor R = (9 V-2 * 3,5 V) / 17 mA = 117 Ohmů. Samozřejmě není nutné hledat odpovídající přesné, docela se hodí nejbližší hodnota ze standardní řady – 120 Ohmů.
Proud odebíraný ze zdroje bude 5*17=85 mA a výkon P=U*I=9 V*85 mA=765 mW. Čili vhodný je zdroj s výkonem pouze 1 W (alkalická baterie Krona vydrží zhruba sto hodin).
Přesně takto jsou uspořádány 12voltové LED pásky (paralelní skupiny ne dvou, ale tří sériově zapojených diod a rezistoru). Lze je tedy řezat pouze podél speciálně vyznačených hranic – do celého množství skupin.
Nejjednodušší způsob, jak stabilizovat proud v obvodu s nízkým výkonem, je použít VT tranzistor s efektem pole s počátečním odběrovým proudem mírně vyšším, než je provozní proud LED (KP302, KP307 atd.), výběrem jeho přesné hodnoty pomocí změna odporu R během několika desítek ohmů.
Vážnější obvody pro stabilizaci proudu a také pro napájení LED ze sítě 220 V jsou popsány v článku o domácích LED lampách. V případě ještě vyšších výkonů nebo velmi nízkonapěťového napájení (méně než 3V), nebo pro maximální efektivitu použití nejdražších zářičů se doporučuje použít průmyslové ovladače: náklady na domácí zařízení takové složitosti budou vyšší než u komerčně vyráběného.