zasilanie diod, Elektronika, Elektronika, LED
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Układy zasilania diod LED dużej mocy
WYBÓR KONSTRUKTORA
Układy zasilania diod
LED dużej mocy
Dodatkowe
materiały na CD
Diody LED zadomowiły się już w aplikacjach oświetleniowych.
Stosuje się je do oświetlania budynków, jako światła wewnętrzne
i zewnętrzne w samochodach, a także w tablicach reklamowych.
Wymagają zasilania prądem o natężeniu sięgającym nawet 1,25 A.
Ważne jest też aby były zasilane prądem stabilizowanym, w celu
przedłużenia ich żywotności. Ponieważ w technice oświetleniowej
stosowane są różne „efekty świetlne”, w artykule przedstawiono
układy sterowników diod LED.
sowanie zasilania prądem stabilizowanym.
W zależności od rodzaju złącza diody (barwy
światła), różny jest na niej spadek napięcia.
W związku z tym właściwe jest zasilanie dio-
dy ze źródła prądowego. Układy impulsowe
najlepiej nadają się do zasilania diod LED
dużej mocy. Do ich budowy używa się induk-
cyjnych lub pojemnościowych przetwornic
impulsowych. Układy liniowe są rzadziej sto-
sowane ze względu na ich niższą sprawność.
Na rynku dostępne są zarówno zasilacze
jak i sterowniki diod LED. Zasilacze stosowa-
ne są do stabilizacji prądu płynącego przez
diodę z uwzględnieniem zmian temperatu-
ry. W tym przypadku istotnym parametrem
jest prąd płynący przez diodę, gdyż od niego
Zasilanie diod LED
Diody LED dużej mocy muszą być za-
silane prądem o natężeniu sięgającym
1,2...1,25 A. Najpopularniejsze są diody o na-
tężeniu 350...700 mA. Zależność między na-
tężeniem prądu płynącego przez diodę LED
i intensywnością jej świecenia jest liniowa
lub bliska liniowej. Przekroczenie maksymal-
nego prądu przewodzenia diody powoduje
szybkie jej zużycie, a więc ważne jest sto-
73
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009
WYBÓR KONSTRUKTORA
cić uwagę na maksymalną wartość częstotli-
wości sygnału PWM, który może być podany
na wejście zezwolenia zasilacza.
Dedykowane układy dla diod LED
Układy do zasilania i sterowania dioda-
mi LED dużej mocy oferuje wiele firm.War-
tykule zostaną przedstawione wybrane ukła-
dy producentów takich podzespołów.
Przetwornice DC-DC firmy
National Semiconductor
LM3410 jest impulsową przetwornicą
indukcyjną typu
boost
do zasilania 1...5 diod
LED. Dopuszczalne natężenie prądu płynące-
go przez diody wynosi 2,8 A. Częstotliwość
przełączania, w zależności od wersji układu,
wynosi 525 kHz lub 1,6 MHz. Układ zasilany
jest napięciem 2,7...5,5 V, a maksymalne na-
pięcie wyjściowe wynosi 24 V. Przykładowy
schemat użycia zasilacza jasnych diod został
przedstawiony na
rys.
1
.
Innym układem do zasilania diod LED
mocy jest LM3405A. Ma on zintegrowa-
ny tranzystor NMOS (rezystancja kanału
300 mV). Częstotliwość przełączania wynosi
1,6 MHz. Ma on również obwody zabezpie-
czenia nadprądowego i odłączenia zasilania
po przekroczeniu dopuszczalnej tempera-
tury. Maksymalne natężenie prądu wyjścio-
wego wynosi 1 A, ale tylko dla układów
w obudowie eMSOP. Układy w obudowie
SOT23 mogą dostarczyć „zaledwie” 400 mA.
Na
rys.
2
przedstawiono przykład użycia
układu zasilania diody mocy LED z prądem
diody 1 A.
W aplikacjach wymagających większych
prądów należy użyć układu LM3433 firmy
National Semiconductor. Układ ten może
sterować diodami z wymaganym natężeniem
prądu większym niż 6 A. Jest on zasilany na-
pięciem z przedziału –9...–14 V względem
anody diody (
inverting converter
). Do stero-
wania intensywnością świecenia diod LED
używane są dwie końcówki: zezwolenia EN
oraz wejścia DIM dla sygnału z zewnętrz-
nego modulatora PWM (częstotliwości po-
wyżej 30 kHz). Schemat aplikacyjny układu
LM3433 z prądem płynącym przez strukturę
diody LED o natężeniu do 14 A przedstawio-
no na
rys.
3
.
Układ LM3423 jest zasilaczem diod LED,
z rozbudowanymi zabezpieczeniami, stero-
wanych przez tranzystor MOSFET (MOSFET
gate driver). Układ ma zabezpieczenia przed
zbyt niskim napięciem wejściowym, nadprą-
dowe, przeciwprzepięciowe, oraz wyłącznik
temperaturowy (
thermal shutdown
). Może
także samoczynnie wyłączyć się po zadanym
czasie od wystąpienia usterki. Czas wyłącze-
nia jest zależny od pojemności kondensatora
dołączonego do wejścia TIMR. Gdy napięcie
na końcówce TIMR przekroczy 1,24 V (po
wystąpieniu usterki) układ ustawia poziom
wysoki na wyjściu flagiFLT.
Rys. 1. Zasilacz typu boost dla jasnych diod LED, zbudowany przy użyciu układu
LM3410
zależy intensywność świecenia. Zasilaczami
diod LED są w większości przetwornice DC-
-DC, chociaż są też układy zasilane bezpo-
średnio napięciem sieci.
Innymi parametrami zasilaczy diod LED
są napięcia: zasilania (wejściowe) i wyjścio-
we, które służy do zasilania kilku diod po-
łączonych szeregowo. Do wyboru mamy za-
silacze obniżające napięcie zasilania (
buck
),
podwyższające (
boost
) oraz o napięciu wyż-
szym lub niższym od napięcia wejściowego
(
buck-boost
lub SEPIC).
Specjalizowane zasilacze diod LED mają
odpowiednie wyjścia sygnalizacji wystąpie-
nia usterki, np. przebicia (lub braku) diody
LED. Układy te są zazwyczaj wyposażane
w obwody przeciwprzepięciowe i przeciw-
zwarciowe oraz w obwody odłączające na-
pięcie wyjściowe w przypadku przekrocze-
nia maksymalnej temperatury układu.
Sterowniki diod LED stosowane są do
kontroli jasności świecenia, generowania
efektów świetlnych oraz do korekcji inten-
sywności świecenia pojedynczych diod z ze-
społu. Większość układów zasilania diod
LED dużej mocy ma zaimplementowane
takie funkcje. Zazwyczaj sterowniki diod
LED charakteryzują się prądem sterującym
o niewielkim natężeniu (np. do 100 mA lub
mniejszym). W przypadku, gdy w aplikacji
jest wymagane użycie takiego sterownika do
sterowania diodami o większym prądzie, to
należy dołączyć dodatkowy stopień mocy
w postaci dedykowanego zasilacza diod
LED. Większość zasilaczy diod LED mocy
ma wejścia zezwolenia, analogowe lub cy-
frowe, dzięki którym można sterować inten-
sywnością świecenia zasilanej diody, przez
dołączenie do wyjścia sterownika sygnału
z modulatora PWM. Należy przy tym zwró-
Rys. 2. Przykładowe rozwiązanie układowe drivera LED LM3405A
Rys. 3. Układ zasilacza diod LED o wydajności prądowej 2,2...14 A
74
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009
 Układy zasilania diod LED dużej mocy
Układ DD313 jest funkcjonalnym od-
powiednikiem układu DD312 służącym do
sterowania zespołem trzech diod LED, na
przykład diod RGB. Ma on niezależne wej-
ścia zezwolenia, prądu referencyjnego oraz
wyjścia prądowe dla każdego kanału RGB.
Wystąpienie przegrzania układu lub braku
jednej z diod jest sygnalizowane na pojedyn-
czym wyjściu ALARM. Maksymalny całko-
wity prąd wyjściowy układu wynosi 0,5 A.
sową o częstotliwości przełączania 2 MHz,
pracującą w topologii
boost
. Może on zasilać
diody LED z jednego lub dwóch ogniw lito-
wo-jonowych (napięcie zasilania 2,5...10 V).
Zaletą układu jest niewielka liczba niezbęd-
nych elementów zewnętrznych. Temperatu-
ra pracy tego zasilacza to –40...125°C.
Rys. 4. Podstawowe użycie układu DD311
Exar
Dobrym przykładem zasilacza diod LED
oferowanego przez firmęExarjestimpulsowa
przetwornica obniżająca napięcie SP7600.
Może być zasilana napięciem 4,5...29 V. Mak-
symalny, możliwy do uzyskania prąd diody
wynosi 2 A. Przetwornica pracuje z częstotli-
wością przełączania 1,2 MHz. Ograniczenie
prądowe jest ustalane za pomocą zewnętrz-
nego rezystora Rs (
rys.
7
). Końcówka FB
jest wejściem wewnętrznej pętli sprzężenia
zwrotnego, stabilizującego prąd diody. Układ
ma identyczny rozstaw wyprowadzeń jak
inne układy zasilaczy diod LED firmy Exar:
XRP7603 i XRP7603, które mogą zasilać dio-
dy LED prądem o maksymalnym natężeniu
odpowiednio 500 mA i 1 A. Układy te mają
zabezpieczenia przeciwzwarciowe oraz ob-
wody łagodnego włączenia zasilania (
soft-
-start
).
Układ SP7685 jest zasilaczem diod LED
z trybem Flash. W tym trybie, dioda LED
jest zasilana w krótkim przedziale czasu
prądem o większym natężeniu od nominal-
nego. Maksymalny czas pracy w trybie Flash
układu SP7685 wynosi 3,6 s. W trybie Flash
Silicon Touch Technology
Firma SiTI jest producentem stałoprądo-
wych zasilaczy diod LED dużej mocy. Jed-
nym z takich układów jest DD311, który jest
przeznaczony do zasilania diod LED prądem
o natężeniu do 1 A. Natężenie prądu wyj-
ściowego I
LED
(końcówka OUT na
rys. 4
) jest
ustalane za pomocą natężenia prądu wejścio-
wego I
REF
(wejście REXT) – natężenie prądu
wyjściowego jest od niego 100 razy większe.
Na rys. 4 przedstawiono przykładowy sche-
mat użycia układu D311, w którym prąd
referencyjny I
REF
ustawiany jest za pomocą
rezystora R
EXT
. Układ ten ma wejście zezwo-
lenia EN, dzięki któremu za pomocą sygna-
łu PWM można sterować intensywnością
świecenia diod. Maksymalna częstotliwość
sygnału PWM wynosi 1 MHz. Natomiast
maksymalne napięcie wyjściowe układu wy-
nosi 33 V.
Układem o większych możliwościach
funkcjonalnych jest DD312. Podobnie jak
układ DD311, jest to zasilacz stałoprądowy
diod LED o wydajności prądowej 1 A (mak-
symalne napięcie zasilania/wyjściowe 18 V)
z wejściem zezwolenia EN. Układ DD312
ma rozbudowany system diagnostyczny.
Wyposażono go bowiem w zabezpieczenia
przeciwzwarciowe, wykrywania odłączenia
obciążenia (braku diody LED) oraz przekro-
czenia temperatury. Wystąpienie usterki jest
sygnalizowane na wyjściu ALARM (tylko
w obudowie SOP8).
Micrel
Również w ofercie firmy Micrel znajdu-
ją się układy zasilaczy diod LED. Jednym
z nich jest stałoprądowa przetwornica DC-
-DC MIC3230/1/2, podwyższająca napięcie
(boost). Jest ona przeznaczona do zasilania
jednego lub większej liczby zespołów sze-
regowo połączonych diod LED dużej mocy.
Napięcie wejściowe układu wynosi 6...42 V.
Układ MIC3230/1/2 może dostarczyć do
70 W. Pracuje on ze stałą częstotliwością
przełączania 400 kHz (MIC3232) lub z usta-
wianą z zakresu 109...950 kHz (MIC3230/1).
Układ MIC3231 ma możliwość rozmycia
widma sygnału wyjściowego w celu zmini-
malizowania zakłóceń elektromagnetycz-
nych (EMI). Układ ten idealnie nadaje się
do oświetlenia ulicznego lub oświetlenia
budynków. Podobnie jak układy innych firm,
zasilacze MIC323x mają możliwość dołącze-
nia zewnętrznego sygnału PWM. Wyposa-
żono je również w obwody zabezpieczające
przed zbyt wysokim napięciem i wyłącznik
temperaturowy.
Drugim, interesującym
zasilaczem diod LED jest MI-
C4682. Jest to przetwornica
impulsowa obniżająca na-
pięcie, której częstotliwość
przełączania jest stała i wy-
nosi 200 kHz. Maksymalne
natężenie prądu wyjściowe-
go, które można uzyskać sto-
sując układ MIC4682 wynosi
2 A. Układ ma wbudowany
ogranicznik prądowy o wartości
0,4...2 A, ustawiany za pomocą
zewnętrznego rezystora. Typowy
schemat aplikacyjny tego układu
została przedstawiona na
rys.
5
.
Układ produkowany jest w obu-
dowach SOIC-8 o podwyższonych
możliwościach odprowadzania
ciepła. Wyprowadzenia 2, 6 i 7
są wykonane z jednego elementu
metalowego mającego kontakt ter-
miczny z strukturą półprzewodni-
ka (
rys.
6
).
Innym zasilaczem stałoprądo-
wym diod LED dużej mocy jest MI-
C2299. Może on zasilać do dwóch
diod LED, połączonych szere-
gowo, prądem o natężeniu 1 A.
Układ jest przetwornicą impul-
Rys. 5. Zasilacz diod LED zbudowany na bazie układu
MIC4682
Więcej informacji o diodach LED dużej mocy oraz
ich układach zasilania i sterowania zamieściliśmy
w specjalnym numerze Elektroniki Praktycznej Plus
„Power LED”.
Rys. 6. Sposób odprowadzania ciepła z układów
MIC4682
75
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009
 WYBÓR KONSTRUKTORA
Układ ma wewnętrzne zabezpieczenie tem-
peraturowe z temperaturą progową 150°C.
Układami prostszymi, o mniejszej licz-
bie wyprowadzeń, są układy ZXLD135x
i ZXLD136x. Są zamykane w obudowach
TSOT23-5, o pięciu wyprowadzeniach. Róż-
nią się głównie maksymalnym natężeniem
prądu wyjściowego, które dla układów ZXL-
D135x wynosi 350 mA, a dla układów ZXL-
D136x 1 A. Zasilacze diod LED zbudowane
z tych układów wyróżniają się prostotą bu-
dowy (
rys.
9
). Sterowanie prądem wyjścio-
wym odbywa się poprzez zmianę napięcia
podawanego na końcówkę ADJ. Zmiana na-
pięcia przyłożonego na tej końcówce w prze-
dziale 0,3...2,5 V umożliwia zmianę prądu
wyjściowego w przedziale 25...200% prądu
nominalnego. Aby odłączyć prąd diody na-
leży podać na końcówkę ADJ napięcie niższe
niż 0,2 V. W normalnym trybie pracy koń-
cówka ADJ może nie być nigdzie dołączona
(pływająca), dzięki czemu prąd diody będzie
zależał od wartości rezystora dołączonego do
wejścia I
sense
.
Rys. 7. Przetwornica impulsowa DC-DC o wydajności prądowej 1,5 A
tów zewnętrznych (
rys.
8
).
Układ ma zabezpieczenia
przeciwprzeciążeniowe, tem-
peraturowe oraz ogranicznik
napięcia wyjściowego. Może
pracować w konfiguracji za-
równo
boost
jak i
buck
.
Diodes Incorporated
Firma Diodes Incorporated
ma w ofercie zasilacze diod
LED produkowane do nie-
dawna przez firmęZetex.Woferciefirmysą
przetwornice DC-DC (typu
boost
) ZXLD132x
o wydajności prądowej 0,7 A (ZXLD1322)
1 A(ZXLD1321) albo 1,5 A (ZXLD1320).
Układ ZXLD1320 jest zasilany napięciem
4...18 V, ZXLD1321 1,2...12 V a ZXLD1322
2,5...15 V. Prąd diody jest ustawiany w za-
kresie 10...100% maksymalnej wydajności
prądowej za pomocą zewnętrznego rezysto-
ra. Układy ZXLD132x mają wejścia do kom-
pensacji temperaturowych zmian natężenia
prądu. Zmiana napięcia na wyprowadzeniu
TADJ w przedziale 50...75 mV powoduje od-
jęcie od prądu diody prądu korygującego. Je-
żeli napięcie spadnie poniżej 50 mV, natęże-
nie prądu wyjściowego diody będzie niższe
od 10% natężenia nominalnego, a przy na-
pięciu powyżej 75 mV nie jest dokonywana
korekcja. Dołączenie do wejścia TADJ rezy-
stora połączonego szeregowo z termistorem
pozwala na dobranie temperatury progowej.
Rys. 8. Aplikacja układu SP7685
Układy samochodowe Infineon
W ofercie firmy Infineon jest zasilacz
diod LED TLE 4242 G o wydajności prą-
dowej do 0,5 A, przeznaczony głównie do
oświetlenia samochodowego. Jest to zasilacz
stałoprądowy z wejściem dla sygnału z mo-
dulatora PWM, dzięki któremu można stero-
wać intensywnością świecenia dołączonych
diod. Układ ma obwody zabezpieczające
przed przeciążeniem, zwarciem, zmianą po-
laryzacji zasilania oraz zabezpieczenie tem-
peraturowe. Na wyjściu ST sygnalizowany
jest brak obciążenia na wyjściu sterującym
diodami LED.
Zasilacz TLE 4242 G jest zasilany napię-
ciem stałym 4,5...42 V (obwody wejściowe
tolerują napięcie z przedziału –42...45 V).
Natężenie prądu płynącego przez diody jest
regulowane za pomocą rezystora włączonego
szeregowo między katodę diody LED (ostat-
nią w szeregu), a masę.
Na
rys.
10
przedstawiono porówna-
nie stałoprądowych zasilaczy diod LED: na
rys. 10a układ zasilania z rezystorem usta-
lającym prąd płynący przez 3 diody LED,
a na rys. 10b z użyciem układu zasilacza
TLE 4242 G. Zastosowanie dedykowanego
zasilacza pozwala na zabezpieczenie przed
przekroczeniem dopuszczalnego prądu dio-
dy (wykresy po lewej stronie).
Rys. 9. Podstawowy schemat układu
zasilacza diod LED z układem ZXLD1366
układ zasila diody prądem o natężeniu do
1,2 A, a przy pracy ciągłej (tzw. tryb Torch)
do 400 mA (ze sprawnością dochodzącą do
94%). Zaletą układu są niewielkie rozmiary
oraz niewielka liczba potrzebnych elemen-
Linear Technology
W ofercie firmy Linear Technology war-
to przyjrzeć się układowi LTM8040. Jest
to zasilacz diod LED o wydajności prądo-
wej od 35 mA do 1 A, charakteryzujący
się niewielkimi wymiarami obudowy LGA
15×9×2,82 mm. Układ zasilany jest napię-
ciem stałym 4...36 V. Ma możliwość stero-
wania jasnością dołączonych diod LED za
Rys. 10. Porównanie stałoprądowych zasilaczy diod LED: a) z użyciem elementów
dyskretnych, b) z dedykowanym zasilaczem TLE 4242 G
76
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009
Układy zasilania diod LED dużej mocy
LED protection). Może pracować w trybie
podwyższającym napięcie wejściowe (
boost
)
lub obniżającym (
buck
), jak również w trybie
buck-boost
.
Interesującym układem jest HV9910B,
który może być zasilany napięciem stałym
do 450 V. Podobnie jak układ HV9919 ma
możliwość dołączenia zewnętrznego sygnału
PWM lub sygnału analogowego 0...250 mV
w celu sterowania intensywnością świecenia
diod LED.
Układy HV9911 i HV9912 są przetworni-
cami, które mogą pracować w topologii
buck
,
boost
oraz
buck-boost
lub SEPIC. Są to ukła-
dy o identycznej konfiguracji wyprowadzeń
i mogą być stosowane zamiennie w zależno-
ści od napięcia wejściowego. Układ HV9911
zasilany jest napięciem do 250 V, a układ
HV9912 do 90 V. Możliwości kontroli inten-
sywności świecenia diod LED są podobne jak
dla układów HV9919 i HV9910B.
Układy mają zabezpieczenia przeciw-
przepięciowe i nadprądowe. Sygnalizacja
usterki następuje na wyjściu FAULT i odłą-
czane są obwody wyjściowe. Wystąpienie
usterki jest zapamiętywane w wewnętrznym
przerzutniku, który może być wyzerowany
jedynie po ponownym włączeniu układu.
Zasilacze Supertex
W ofercie firmy Supertex są układy do
sterowania tranzystorami MOSFET, dzięki
którym można zbudować zasilacze dla diod
LED dużej mocy. Najnowszą przetwornicą
impulsową DC-DC do zasilania diod LED,
z zewnętrznym tranzystorem MOSFET, jest
układ oznaczony symbolem HV9919. Ma
maksymalną częstotliwość pracy 2 MHz i jest
zasilany napięciem 4,5...40 V. Zewnętrzny
tranzystor MOSFET (
rys.
13
) jest dobierany
w zależności od napięcia zasilania oraz żąda-
nego natężenia prądu płynącego przez diody
LED. Jest ono ustawiane za pomocą szerego-
wego rezystora R
SENSE
. Układ ma możliwość
regulacji intensywności świecenia diod LED
zewnętrznym sygnałem PWM (wejście DIM)
lub sygnałem analogowym z przedziału
0...2 V (wejście ADIM).
Rys. 11. Schemat aplikacyjny układu
LTM8040
pomocą zewnętrznego modulatora PWM.
Przykładowy schemat układu zasilania diod
LED przedstawiono na
rys.
11
.
Innym interesującym układem jest
LTM3517 – zasilacz diod LED o wydajności
prądowej do 1,5 A. Prąd płynący przez diody
LED może być modulowany zewnętrznym
sygnałem PWM (możliwość zmiany inten-
sywności świecenia diod LED 5000:1 – czę-
stotliwość przełączania PWM 100 Hz). Na
rys.
12
przedstawiono schemat tego układu.
Ma on obwody zabezpieczające przed roz-
warciem obwodu zasilania diod LED (open
Rys. 12. Schemat zasilacza diod LED LTM3517
77
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009
  [ Pobierz całość w formacie PDF ]