High Power LED Driver Circuits - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:19

High-power LED's: de toekomst van verlichting!

maar… hoe gebruik je ze? waar haal je ze? Power LED's van 1 watt en 3 watt zijn nu overal verkrijgbaar in het bereik van $ 3 tot $ 5, dus ik heb de laatste tijd aan een aantal projecten gewerkt die ze gebruiken. in het proces irriteerde het me dat de enige opties waar iemand het over heeft voor het aansturen van de LED's zijn: (1) een weerstand, of (2) een echt dure elektronische gadget. nu de LED's $ 3 kosten, voelt het verkeerd om $ 20 te betalen voor het apparaat om ze aan te drijven! Dus ging ik terug naar mijn boek "Analog Circuits 101" en bedacht een paar eenvoudige circuits voor het aansturen van power-LED's die slechts $ 1 of $ 2 kosten. Deze instructable geeft je een blow-by-blow van alle verschillende soorten circuits voor het aandrijven van Big LED's, alles van weerstanden tot het schakelen van voedingen, met enkele tips over allemaal, en zal natuurlijk veel details geven over mijn nieuwe eenvoudige Power LED-drivercircuits en wanneer / hoe ze te gebruiken (en ik heb tot nu toe 3 andere instructables die deze circuits gebruiken). Een deel van deze informatie is uiteindelijk ook erg handig voor kleine LED's. Hier zijn mijn andere power-LED-instructables, bekijk die voor andere opmerkingen en ideeën. Dit artikel wordt u aangeboden door MonkeyLectric en het Monkey Light-fietslicht.

Stap 1: Overzicht / Onderdelen

Er zijn verschillende veelgebruikte methoden om LED's van stroom te voorzien. Waarom al die ophef? Het komt hier op neer: 1) LED's zijn erg gevoelig voor de spanning die wordt gebruikt om ze van stroom te voorzien (dwz de stroom verandert veel bij een kleine verandering in spanning) 2) De vereiste spanning verandert een beetje wanneer de LED in warm of koude lucht, en ook afhankelijk van de kleur van de LED en fabricagedetails. Er zijn dus verschillende veelvoorkomende manieren waarop LED's gewoonlijk worden gevoed, en ik zal ze allemaal in de volgende stappen bespreken.

OnderdelenDit project toont verschillende circuits voor het aansturen van power-LED's. voor elk van de circuits heb ik bij de relevante stap de benodigde onderdelen genoteerd, inclusief onderdeelnummers die u kunt vinden op www.digikey.com. om veel dubbele inhoud te voorkomen, bespreekt dit project alleen specifieke circuits en hun voor- en nadelen. om meer te weten te komen over montagetechnieken en om de onderdeelnummers van LED's te achterhalen en waar u ze kunt krijgen (en andere onderwerpen), verwijzen wij u naar een van mijn andere power LED-projecten.

Stap 2: Power LED-prestatiegegevens - handige referentiekaart

Hieronder staan enkele basisparameters van de Luxeon LED's die u voor veel circuits zult gebruiken. Ik gebruik de cijfers uit deze tabel in verschillende projecten, dus hier plaats ik ze allemaal op één plek waar ik gemakkelijk naar kan verwijzen. Luxeon 1 en 3 zonder stroom (afslagpunt):wit/blauw/groen/ cyaan: 2.4V drop (= "LED forward voltage") rood/oranje/amber: 1.8V dropLuxeon-1 met 300mA stroom:wit/blauw/groen/cyaan: 3.3V drop (= "LED forward voltage") rood/oranje /amber: 2,7V dropLuxeon-1 met 800mA stroom (over spec):alle kleuren: 3,8V dropLuxeon-3 met 300mA stroom:wit/blauw/groen/cyaan: 3,3V droprood/oranje/amber: 2,5V dropLuxeon-3 met 800mA stroom:wit/blauw/groen/cyaan: 3.8V droprood/oranje/amber: 3.0V drop (let op: mijn tests komen niet overeen met specificatieblad)Luxeon-3 met 1200mA stroom:rood/oranje/amber: 3,3V drop (let op:: mijn tests komen niet overeen met het specificatieblad)Typische waarden voor gewone "kleine" LED's met 20mA zijn:rood/oranje/geel: 2,0 V dropgroen/cyaan/blauw/paars/wit: 3,5V drop

Stap 3: Directe stroom

Waarom sluit u uw batterij niet gewoon rechtstreeks op de LED aan? Het lijkt zo simpel! Wat is het probleem? Kan ik het ooit? Het probleem is betrouwbaarheid, consistentie en robuustheid. Zoals vermeld, is de stroom door een LED erg gevoelig voor kleine veranderingen in de spanning over de LED, en ook voor de omgevingstemperatuur van de LED, en ook voor de fabricageafwijkingen van de LED. Dus als je je LED gewoon op een batterij aansluit, heb je weinig idee hoeveel stroom er doorheen gaat. "maar wat dan nog, het lichtte op, nietwaar?". OK zeker. afhankelijk van de batterij, heb je misschien veel te veel stroom (led wordt erg heet en brandt snel op), of te weinig (led is zwak). het andere probleem is dat zelfs als de led precies goed is wanneer je hem voor het eerst aansluit, als je hem naar een nieuwe omgeving brengt die heter of kouder is, hij ofwel zwak of te fel wordt en uitbrandt, omdat de led erg warm is gevoelig. variaties in de fabricage kunnen ook variabiliteit veroorzaken. Dus misschien lees je dat allemaal en denk je: "so what!". zo ja, ploeg vooruit en sluit hem direct aan op de accu. voor sommige toepassingen kan dit de juiste keuze zijn.- Samenvatting: gebruik dit alleen voor hacks, verwacht niet dat het betrouwbaar of consistent is, en verwacht onderweg een aantal LED's te laten doorbranden.- Een beroemde hack die deze methode gebruikt voor buitengewoon goed gebruik is de LED Throwie. Opmerkingen: - als u een batterij gebruikt, werkt deze methode het beste met *kleine* batterijen, omdat een kleine batterij werkt alsof er een interne weerstand in zit. dit is een van de redenen waarom de LED Throwie zo goed werkt.- als je dit echt met een power-LED wilt doen in plaats van een 3-cent LED, kies dan je batterijspanning zodat de LED niet op vol vermogen staat. dit is de andere reden waarom de LED Throwie zo goed werkt.

Stap 4: De nederige weerstand

Dit is verreweg de meest gebruikte methode om LED's van stroom te voorzien. Sluit gewoon een weerstand in serie aan met uw LED (s). voordelen: - dit is de eenvoudigste methode die betrouwbaar werkt - heeft maar één onderdeel - kost centen (eigenlijk minder dan een cent in hoeveelheid) nadelen: - niet erg efficiënt. u moet verspilde energie inruilen voor consistente en betrouwbare LED-helderheid. als u minder stroom in de weerstand verspilt, krijgt u minder consistente LED-prestaties. - moet de weerstand veranderen om de helderheid van de LED te veranderen - als u de voeding of batterijspanning aanzienlijk verandert, moet u de weerstand opnieuw veranderen.

Hoe het te doen: Er zijn veel geweldige webpagina's die deze methode al uitleggen. Meestal wil je erachter komen: - welke weerstandswaarde je moet gebruiken - hoe je je led's in serie of parallel moet aansluiten. ontwerp de complete serie/parallelle schakeling en weerstanden voor u!https://led.linear1.org/led.wizhttps://metku.net/index.html?sect=view&n=1&path=mods/ledcalc/index_eng rekenmachines, gebruik dan de Power LED Data Handy Reference Chart voor de stroom- en spanningsgetallen waar de rekenmachine om vraagt. Als je de weerstandsmethode gebruikt met power-LED's, wil je snel veel goedkope vermogensweerstanden hebben! hier zijn enkele goedkope van digikey: "Yageo SQP500JB" is een weerstandsserie van 5 watt.

Stap 5: $ heksende regelgevers

Schakelregelaars, ook bekend als "DC-naar-DC", "buck" of "boost" -converters, zijn de mooie manier om een LED van stroom te voorzien. ze doen het allemaal, maar ze zijn prijzig. wat "doen" ze precies? de schakelregelaar kan de ingangsspanning van de voeding verlagen ("buck") of verhogen ("boost") tot de exacte spanning die nodig is om de LED's van stroom te voorzien. in tegenstelling tot een weerstand bewaakt het constant de LED-stroom en past het zich aan om het constant te houden. Het doet dit alles met 80-95% energie-efficiëntie, ongeacht hoeveel de step-down of step-up is. Voordelen: - consistente LED-prestaties voor een breed scala aan LED's en voeding - hoog rendement, meestal 80-90% voor boost-converters en 90-95% voor buck-converters - kunnen LED's voeden met zowel lagere als hogere spanningen (step-up of step-down) - sommige units kunnen de LED-helderheid aanpassen - verpakte units ontworpen voor power-LED's zijn beschikbaar en eenvoudig te gebruiken Nadelen: - complex en duur: meestal ongeveer $ 20 voor een verpakte eenheid. - zelf maken vereist verschillende onderdelen en elektrotechnische vaardigheden.

Een kant-en-klaar apparaat dat speciaal is ontworpen voor power-led's is de Buckpuck van LED Dynamics. Ik gebruikte een van deze in mijn project met led-koplampen en was er best blij mee. deze apparaten zijn verkrijgbaar bij de meeste LED webwinkels.

Stap 6: Het nieuwe spul!! Constante stroombron #1

laten we beginnen met de nieuwe dingen! De eerste set circuits zijn allemaal kleine variaties op een supereenvoudige constante stroombron. Voordelen: - consistente LED-prestaties met elke voeding en LED's - kost ongeveer $ 1 - slechts 4 eenvoudige onderdelen om aan te sluiten - efficiëntie kan meer dan 90% zijn (met de juiste selectie van LED en voeding) - kan VEEL stroom aan, 20 ampère of meer geen probleem. - lage "dropout" - de ingangsspanning kan slechts 0,6 volt hoger zijn dan de uitgangsspanning.- superbreed werkingsbereik: tussen 3V en 60V ingang Nadelen: - moet een weerstand veranderen om de LED-helderheid te veranderen - als het slecht is geconfigureerd, kan het net zoveel stroom verspillen als de weerstandsmethode - je moet het zelf bouwen (oh wacht, dat zou moeten een 'pro' zijn).- stroomlimiet verandert een beetje met de omgevingstemperatuur (kan ook een 'pro' zijn). Dus om het samen te vatten: deze schakeling werkt net zo goed als de step-down schakelende regelaar, het enige verschil is dat het geen 90% efficiëntie garandeert. aan de positieve kant, het kost slechts $ 1.

Eenvoudigste versie eerst: "Low Cost Constant Current Source #1" Dit circuit is opgenomen in mijn eenvoudige power-led-lichtproject. Hoe werkt het? - Q2 (een power NFET) wordt gebruikt als een variabele weerstand. Q2 begint ingeschakeld door R1.- Q1 (een kleine NPN) wordt gebruikt als een overstroomdetectieschakelaar, en R3 is de "detectieweerstand" of "instelweerstand" die Q1 activeert wanneer er te veel stroom vloeit.- De de hoofdstroom gaat door de LED's, door Q2 en door R3. Wanneer er te veel stroom door R3 vloeit, begint Q1 aan te gaan, waardoor Q2 wordt uitgeschakeld. Het uitschakelen van Q2 vermindert de stroom door de LED's en R3. Daarom hebben we een "feedback loop" gecreëerd, die continu de LED-stroom bewaakt en te allen tijde exact op het setpoint houdt. transistors zijn slim, hè!- R1 heeft een hoge weerstand, zodat wanneer Q1 begint aan te gaan, hij R1 gemakkelijk overmeestert.- Het resultaat is dat Q2 zich gedraagt als een weerstand, en zijn weerstand is altijd perfect ingesteld om de LED-stroom correct te houden. Eventuele overtollige stroom wordt verbrand in Q2. Dus voor maximale efficiëntie willen we onze LED-string zo configureren dat deze zich dicht bij de voedingsspanning bevindt. Het zal prima werken als we dit niet doen, we verspillen alleen maar energie. dit is echt het enige nadeel van deze schakeling tov een step-down schakelende regelaar!instelling van de stroom!de waarde van R3 bepaalt de ingestelde stroom. Berekeningen:- LED stroom is ongeveer gelijk aan: 0,5 / R3- R3 vermogen: het vermogen gedissipeerd door de weerstand is ongeveer: 0,25 / R3. kies een weerstandswaarde van minimaal 2x het berekende vermogen zodat de weerstand niet gloeiend heet wordt.dus voor 700mA LED stroom:R3 = 0,5 / 0,7 = 0,71 ohm. dichtstbijzijnde standaardweerstand is 0,75 ohm. R3 vermogen = 0,25 / 0,71 = 0,35 watt. we hebben minimaal een weerstand van 1/2 watt nodig. Gebruikte onderdelen: R1: kleine (1/4 watt) weerstand van ongeveer 100 k-ohm (zoals: Yageo CFR-25JB-serie) R3: grote (1 watt+) stroomset weerstand. (een goede keuze van 2 watt is: Panasonic ERX-2SJR-serie)Q2: groot (TO-220-pakket) N-kanaals logisch niveau FET (zoals: Fairchild FQP50N06L)Q1: klein (TO-92-pakket) NPN-transistor (zoals: Fairchild 2N5088BU) Maximale limieten: de enige echte limiet voor het stroombroncircuit wordt opgelegd door NFET Q2. Q2 beperkt het circuit op twee manieren: 1) vermogensdissipatie. Q2 fungeert als een variabele weerstand, die de spanning van de voeding verlaagt om aan de behoefte van de LED's te voldoen. dus Q2 heeft een koellichaam nodig als er een hoge LED-stroom is of als de spanning van de stroombron veel hoger is dan de spanning van de LED-string. (Q2 vermogen = gedaald volt * LED-stroom). Q2 kan maar 2/3 watt aan voordat je een soort koellichaam nodig hebt. met een groot koellichaam kan dit circuit VEEL vermogen en stroom aan - waarschijnlijk 50 watt en 20 ampère met deze exacte transistor, maar je kunt gewoon meerdere transistors parallel zetten voor meer vermogen.2) spanning. de "G"-pin op Q2 is alleen geschikt voor 20V, en met dit eenvoudigste circuit zal de ingangsspanning worden beperkt tot 20V (laten we zeggen 18V om veilig te zijn). als u een andere NFET gebruikt, controleer dan de "Vgs"-classificatie. thermische gevoeligheid: het huidige instelpunt is enigszins temperatuurgevoelig. dit komt omdat Q1 de trigger is en Q1 thermisch gevoelig is. het onderdeelnummer dat ik hierboven heb gespecificeerd is een van de minst thermisch gevoelige NPN's die ik kon vinden. toch, verwacht misschien een verlaging van 30% van het huidige instelpunt als u van -20C naar +100C gaat. dat kan een gewenst effect zijn, het kan uw Q2 of LED's beschermen tegen oververhitting.

Stap 7: constante stroombronaanpassingen: #2 en #3

deze kleine wijzigingen op circuit #1 hebben betrekking op de spanningsbeperking van het eerste circuit. we moeten de NFET Gate (G-pin) onder de 20V houden als we een stroombron van meer dan 20V willen gebruiken. het blijkt dat we dit ook willen doen zodat we deze schakeling kunnen koppelen met een microcontroller of computer.

in circuit #2 heb ik R2 toegevoegd, terwijl ik in #3 R2 heb vervangen door Z1, een zenerdiode. circuit # 3 is de beste, maar ik heb # 2 opgenomen omdat het een snelle hack is als je niet de juiste waarde van zenerdiode hebt. we willen de G-pin-spanning instellen op ongeveer 5 volt - gebruik een zenerdiode van 4,7 of 5,1 volt (zoals: 1N4732A of 1N4733A) - lager en Q2 kan niet helemaal worden ingeschakeld, hoger en het zal niet werken met de meeste microcontrollers. als je ingangsspanning lager is dan 10V, schakel dan R1 in voor een weerstand van 22k-ohm, de zenerdiode werkt niet tenzij er 10uA doorheen gaat. na deze wijziging kan het circuit 60V aan met de vermelde onderdelen, en u kunt indien nodig gemakkelijk een Q2 met een hoger voltage vinden.

Stap 8: Een beetje micro maakt het verschil

Wat nu? maak verbinding met een microcontroller, PWM of een computer! nu heb je een volledig digitaal gestuurd high-power LED-licht. De uitgangspinnen van de microcontroller zijn meestal alleen geschikt voor 5,5 V, daarom is de zenerdiode belangrijk. uw microcontroller is 3,3 V of minder, u moet circuit # 4 gebruiken en de uitgangspin van uw microcontroller instellen op "open collector" - waardoor de micro de pin naar beneden kan trekken, maar de R1-weerstand hem laat trekken tot 5V, wat nodig is om Q2 volledig in te schakelen. Als je micro 5V is, kun je het eenvoudigere circuit #5 gebruiken, waarbij je Z1 wegdoet, en de uitgangspin van de micro instellen op de normale pull-up/pull-down-modus - de 5V micro kan Q2 zelf prima aanzetten. Nu je een PWM of micro hebt aangesloten, hoe maak je dan een digitale lichtregeling? om de helderheid van je licht te veranderen, "PWM" je het: je knippert het snel aan en uit (200 Hz is een goede snelheid), en verandert de verhouding van aan-tijd tot uit-tijd. Dit kan worden gedaan met slechts een paar regels code in een microcontroller. om het te doen met slechts een '555'-chip, probeer dit circuit. om dat circuit te gebruiken, moet je M1, D3 en R2 verwijderen en hun Q1 is onze Q2.

Stap 9: Nog een dimmethode

ok, dus misschien wil je geen microcontroller gebruiken? hier is nog een eenvoudige wijziging op "circuit #1"

de eenvoudigste manier om de LED's te dimmen is door het huidige setpoint te wijzigen. dus we veranderen R3! hieronder getoond, ik heb R4 en een schakelaar parallel met R3 toegevoegd. dus met de schakelaar open, wordt de stroom ingesteld door R3, met de schakelaar gesloten, wordt de stroom ingesteld door de nieuwe waarde van R3 parallel met R4 - meer stroom. dus nu hebben we "high power" en "low power" - perfect voor een zaklamp. misschien wil je een wijzerplaat met variabele weerstand voor R3 plaatsen? helaas maken ze ze niet in zo'n lage weerstandswaarde, dus we hebben iets ingewikkelders nodig om dat te doen. (zie circuit #1 voor het kiezen van de componentwaarden)

Stap 10: De analoge instelbare driver

Met dit circuit heb je een instelbare helderheid, maar zonder een microcontroller te gebruiken. Het is volledig analoog! het kost iets meer - ongeveer $ 2 of $ 2,50 in totaal - ik hoop dat je het niet erg vindt. Het belangrijkste verschil is dat de NFET is vervangen door een spanningsregelaar. de spanningsregelaar verlaagt de ingangsspanning net zoals de NFET deed, maar het is zo ontworpen dat de uitgangsspanning wordt ingesteld door de verhouding tussen twee weerstanden (R2 + R4 en R1). Het stroombegrenzingscircuit werkt op dezelfde manier zoals voorheen, in dit geval vermindert het de weerstand over R2, waardoor de output van de spanningsregelaar wordt verlaagd. Met dit circuit kunt u de spanning op de LED's op elke waarde instellen met behulp van een draaiknop of schuifregelaar, maar het beperkt ook de LED-stroom zoals voorheen, dus je kunt de knop niet voorbij het veilige punt draaien. Ik heb dit circuit gebruikt in mijn RGB-kleurgestuurde kamer / spotverlichtingsproject. Zie het bovenstaande project voor onderdeelnummers en selectie van weerstandswaarden. Dit circuit kan werken met een ingangsspanning van 5V tot 28V en tot 5 ampère stroom (met een koellichaam op de regelaar)

Stap 11: Een * nog eenvoudigere * huidige bron

ok, dus het blijkt dat er een nog eenvoudigere manier is om een constante stroombron te maken. de reden dat ik het niet op de eerste plaats heb gezet, is dat het ook ten minste één belangrijk nadeel heeft.

Deze gebruikt geen NFET- of NPN-transistor, maar heeft slechts een enkele spanningsregelaar. In vergelijking met de vorige "eenvoudige stroombron" met twee transistoren, heeft deze schakeling: - nog minder onderdelen. - veel hogere "uitval" van 2,4 V, wat de efficiëntie aanzienlijk zal verminderen bij het voeden van slechts 1 LED. als je een reeks van 5 LED's van stroom voorziet, is dat misschien niet zo'n groot probleem. - geen verandering in huidige setpoint bij temperatuurveranderingen - minder stroomcapaciteit (5 ampère - nog genoeg voor veel LED's)

hoe het te gebruiken: weerstand R3 stelt de stroom in. de formule is: LED stroom in ampère = 1,25/R3 dus voor een stroomsterkte van 550mA, stel R3 in op 2,2 ohm heb je meestal een vermogensweerstand nodig, R3 vermogen in watt = 1,56 / R3 deze schakeling heeft ook het nadeel dat de enige manier om het te gebruiken met een microcontroller of PWM is om het hele ding aan en uit te zetten met een power-FET. en de enige manier om de LED-helderheid te veranderen, is door R3 te veranderen, dus raadpleeg het eerdere schema voor "circuit #5" dat laat zien hoe een low/high power-schakelaar wordt toegevoegd. pinout van de regelaar: ADJ = pin 1 OUT = pin 2 IN = pin 3 onderdelen: regelaar: ofwel LD1585CV of LM1084IT-ADJ condensator: 10u tot 100u condensator, 6,3 volt of hoger (zoals: Panasonic ECA-1VHG470) weerstand: een weerstand van minimaal 2 watt (zoals: Panasonic ERX-2J serie) je kunt dit bouwen met vrijwel elke lineaire spanningsregelaar, de twee genoemde hebben goede algemene prestaties en prijs. de klassieke "LM317" is goedkoop, maar de uitval is zelfs nog hoger - in totaal 3,5 volt in deze modus. er zijn nu veel regelaars voor opbouwmontage met ultralage uitval voor gebruik met een laag stroomverbruik, als u 1 LED van een batterij moet voorzien, kunnen deze de moeite van het onderzoeken waard zijn.

Stap 12: Haha! Er is een nog eenvoudigere manier

Ik schaam me om te zeggen dat ik niet zelf aan deze methode heb gedacht, ik hoorde ervan toen ik een zaklamp uit elkaar haalde met een LED met hoge helderheid erin.

-------------- Zet een PTC-weerstand (ook wel een "PTC resettable fuse") in serie met je LED. Wauw.wordt niet eenvoudiger dan dat. -------------- Oke. Hoewel eenvoudig, heeft deze methode enkele nadelen: - Uw stuurspanning kan maar iets hoger zijn dan de LED "aan" spanning. Dit komt omdat PTC-zekeringen niet zijn ontworpen om veel warmte af te voeren, dus u moet de wegvallende spanning over de PTC redelijk laag houden. je kunt je ptc op een metalen plaat lijmen om een beetje te helpen. - U kunt uw LED niet op zijn maximale vermogen aansturen. PTC-zekeringen hebben geen erg nauwkeurige "trip" -stroom. Doorgaans verschillen ze met een factor 2 van het nominale uitschakelpunt. Dus als je een LED hebt die 500mA nodig heeft, en je krijgt een PTC van 500mA, dan krijg je ergens tussen de 500mA en 1000mA - niet veilig voor de LED. De enige veilige keuze voor PTC is een beetje ondergewaardeerd. Neem de 250mA PTC, dan is uw slechtste geval 500mA die de LED aankan. ----------------- Voorbeeld: Voor een enkele LED van ongeveer 3,4 V en 500 mA. Verbind in serie met een PTC van ongeveer 250 mA. De rijspanning moet ongeveer 4,0 V zijn.