Известно, что яркость светодиода очень сильно зависит от протекающего через него тока. В то же время ток светодиода очень круто зависит от питающего напряжения. Отсюда возникают заметные пульсации яркости даже при незначительной нестабильности питания.
Но пульсации — это не страшно, гораздо хуже то, что малейшее повышение питающего напряжения может привести к настолько сильному увеличению тока через светодиоды, что они просто выгорят.
Чтобы этого не допустить, светодиоды (особенно мощные) обычно запитывают через специальные схемы — драйверы, которые по сути своей являются стабилизаторами тока. В этой статье будут рассмотрены схемы простых стабилизаторов тока для светодиодов (на транзисторах или распространенных микросхемах).
Стабилизаторы тока на транзисторах
Для стабилизации тока через светодиоды можно применить хорошо известные решения:
На рисунке 1 представлена схема, работа которой основана на т.н. эмиттерном повторителе. Транзистор, включенный таким образом, стремится поддерживать напряжение на эмиттере в точности таким же, как и на базе (разница будет только в падении напряжения на переходе база-эмиттер). Таким образом, зафиксировав напряжение базы с помощью стабилитрона, мы получаем фиксированное напряжение на R1.
Далее, используя закон Ома, получаем ток эмиттера: Iэ = Uэ/R1. Ток эмиттера практически совпадает с током коллектора, а значит и с током через светодиоды.
Обычные диоды имеют очень слабую зависимость прямого напряжения от тока, поэтому возможно их применение вместо труднодоступных низковольтных стабилитронов. Вот два варианта схем для транзисторов разной проводимости, в которых стабилитроны заменены двумя обычными диодами VD1, VD2:
Ток через светодиоды задается подбором резистора R2. Резистор R1 выбирают таким образом, чтобы выйти на линейный участок ВАХ диодов (с учетом тока базы транзистора). Напряжение питания всей схемы должно быть не меньше, чем суммарное напряжение всех светодиодов плюс около 2-2.5 вольт сверху для устойчивой работы транзистора.
Например, если нужно получить ток 30 мА через 3 последовательно включенных светодиодов с прямым напряжением 3.1 В, то схему следует запитать напряжением не ниже 12 Вольт. При этом сопротивление резистора должно быть около 20 Ом, мощность рассеивания — 18 мВт. Транзистор следует подобрать с максимальным напряжением Uкэ не ниже напряжения питания, например, распространенный S9014 (n-p-n).
Сопротивление R1 будет зависеть от коэфф. усиления транзистора hfe и ВАХ диодов. Для S9014 и диодов 1N4148 достаточно будет 10 кОм.
Применим описанный стабилизатор для совершенствования одного из светодиодных светильников, описанного в этой статье. Улучшенная схема будет выглядеть так:
Данная доработка позволяет значительно снизить пульсации тока и, следовательно, яркости светодиодов. Но главный плюс схемы заключается в нормализации режима работы светодиодов и защита их от бросков напряжения во время включения. Это приводит к существенному продлению срока службы светодиодной лампы.
Из осциллограмм видно, что добавив в схему стабилизатор тока для светодиода на транзисторе и стабилитроне, мы тут же уменьшили амплитуду пульсаций в несколько раз:
При указанных на схеме номиналах, на транзисторе рассеивается мощность чуть больше 0.5 Вт, что позволяет обойтись без радиатора. Если емкость балластного конденсатора увеличить до 1.2 мкФ, то на транзисторе будет падать
23 Вольт, а мощность составит около 1 Вт. В этом случае без радиатора не обойтись, но зато пульсации понизятся чуть ли не до нуля.
Вместо указанного на схеме транзистора 2CS4544, можно взять 2SC2482 или аналогичный с током коллектора больше 100 мА и допустимым напряжением Uкэ не менее 300 В (подойдут, например, старые советские КТ940, КТ969).
Желаемый ток, как обычно, задается резистором R*. Стабилитрон рассчитан на напряжение 5.1 В и мощность 0.5 Вт. В качестве светодиодов применены распространенные smd-светодиоды из китайской лампочки (а еще лучше взять готовую лампу и добавить в нее недостающие компоненты).
Теперь рассмотрим схему, представленную на рисунке 2. Вот она отдельно:
Токовым датчиком здесь является резистор, сопротивление которого рассчитывается по формуле 0.6/Iнагр. При увеличении тока через светодиоды, транзистор VT2 начинает открываться сильнее, что приводит к более сильному запиранию транзистора VT1. Ток уменьшается. Таким образом происходит стабилизация выходного тока.
Достоинства схемы — ее простота. К недостатку можно записать довольно большое падение напряжения (а следовательно и мощности) на транзисторе VT1. Это не критично при небольших токах (десятки и сотни миллиампер), однако дальнейшее увеличение тока через светодиоды потребует установки этого транзистора на радиатор.
Также, вместо биполярного транзистора, можно применить p-канальный MOSFET. Схема, приведенная ниже, представляет собой мощный светильник на двух 10-ваттных светодиодах и 40-ваттном IRF9510 в корпусе ТО-220 (см. характеристики):
Ток через светодиоды задается подбором резистора R1. VT1 — любой маломощный. Светодиоды — Cree XM-L T6 10W (см. спецификацию) или аналогичные.
Транзистор VT2 и светодиоды необходимо разместить на общем радиаторе, площадью не менее 900 см 2 (это если без принудительного охлаждения). Использование термопасты обязательно. Ребра радиатора должен быть толстым и массивным, чтобы максимально быстро отводить тепло. Оцинкованные профили для гипсокартона, консервные банки из-под селедки и крышки от кастрюль категорически не подходят.
Если такая мощность не нужна, можно сократить количество светодиодов до одного. Но при этом придется понизить напряжение питания на 3-3.5 вольта. Иначе потребляемая мощность останется прежней, транзистор будет греться в два раза сильнее, а светить будет в два раза хуже.
Для снижения мощности правильнее было бы оставить оба светодиода, но уменьшить ток, например, до 2А — тогда мощность упадет с 20 до 12 Вт, а срок жизни светодиодов многократно возрастет. И площадь радиатора можно будет уменьшить до 600 см 2 .
Вместо IRF9510 можно взять, например, IRF9Z34N (19А, 55В) или NDP6020P (24А, 20В). Смотрите сами, какие есть в вашем распоряжении. Если совсем ничего нет, самое время закупиться по дешевке:
| наименование | характеристики | цена |
|---|---|---|
| IRF9510 | P-channel, 100V, 4A | 209 руб. / 10 шт. |
| IRF9Z34N | P-channel, 55V, 19A | 124 руб. / 10 шт. |
| NDP6020P | P-channel, 20V, 24A | 120 руб. / 10 шт. |
| Cree XM-L T6 | 10W, 3A | 135 руб. / шт. |
Ну а самая простейшая схема стабилизатора тока для светодиодов на полевом транзисторе состоит всего лишь из одного транзистора с закороченным накоротко затвором и истоком:
Вместо КП303Е подойдет, например, BF245C или аналогичный со встроенным каналом. Принцип действия схож со схемой на рисунке 1, только в качестве эталонного напряжения используется потенциал "земли". Величина выходного тока определяется исключительно начальным током стока (берется из даташита) и практически не зависит от напряжения сток-исток Uси. Это хорошо видно из графика выходной характеристики:
На схеме на рисунке 3 в цепь истока добавлен резистор R1, задающий некоторое обратное смещение затвора и позволяющий таким образом изменить ток стока (а значит и ток нагрузки).
Пример самого простого драйвера тока для светодиода представлен ниже:
Здесь применен полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом n-типа BSS229. Точное значение выходного тока будет зависеть от характеристик конкретного экземпляра и сопротивления R1.
Это, в общем-то, все способы превратить транзистор в стабилизатор тока. Есть еще так называемое токовое зеркало, но применительно к светодиодным светильникам оно не подходит. Поэтому перейдем к микросхемам.
Стабилизаторы тока на микросхемах
Микросхемы позволяют добиться гораздо более высоких характеристик, чем транзисторы. Чаще всего для сборки стабилизатор тока для светодиодов своими руками используют прецизионные термостабильные источники опорного напряжения (TL431, LM317 и другие).
TL431
Типовая схема стабилизатора тока для светодиодов на TL431 выглядит так:
Так как микросхема ведет себя так, чтобы поддерживать на резисторе R2 фиксированное напряжение 2.5 В, то ток через этот резистор всегда будет равен 2.5/R2. А если пренебречь током базы, то можно считать, что IRн = IR2. И чем выше будет коэффициент усиления транзистора hfe, тем больше эти токи будут совпадать.
R1 рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить минимальный рабочий ток микросхемы — 1 мА.
А вот пример практического применения TL431 в светодиодной лампе:
На транзисторе падает около 20-30 В, рассеиваемая мощность составляет менее 1.5 Вт. Кроме указанного на схеме 2SC4544 можно применить более мощный BD711 или старый советский КТ940А. Транзисторы в корпусе TO-220 не требуют установки на радиатор до мощностей 1.5-2 Вт включительно.
Резистор R3 служит для ограничения импульса зарядки конденсатора при включении питания. Ток через нагрузку задается резистором R2.
В качестве нагрузки Rн здесь выступают 90 белых чип-светодиодов 2835. Максимальная мощность при токе 60 мА составляет 0.2 Вт (24Lm), падение напряжения — 3.2 В. Также можно применить любые другие подходящие светодиоды, например, SMD5050.
Для увеличение срока службы мощность диодов специально занижена на 20% (0.16 Вт, ток 45 мА), соответственно, суммарная мощность всех светодиодов составляет — 14 Вт.
Хотя я бы рекомендовал найти светодиоды в точно таком же форм-факторе (2.8х3.5мм), но мощностью 0.5 Вт. Они и греться будут меньше и прослужат дольше.
Найти такие светодиоды, а также все необходимое для сборки схемы можно по этим ссылкам:
| наименование | характеристики | цена |
|---|---|---|
| SMD 2835 | LED, 3.3V, 0.15A, 0.5W | 67 руб. / 100 шт. |
| 2SC4544 | NPN, 300V, 0.1A | 10 руб. / шт. |
| BD711 | NPN, 100V, 12A | 120 руб. / 10 шт. |
| 1N4007 | 1000V, 1A | 51 руб. / 100 шт. |
| TL431A | 36V, 100mA | 87 руб. / 100 шт. |
Разумеется, приведенную схему стабилизатора тока для светодиодов на 220 В можно пересчитать под любой необходимый ток и/или другое количество имеющихся в распоряжении светодиодов.
С учетом допустимого разброса напряжения 220 Вольт (см. ГОСТ 29322-2014), выпрямленное напряжение на конденсаторе C1 будет находиться в диапазоне от 293 до 358 В, поэтому он должен быть рассчитан на напряжение не менее 400 В.
Исходя из диапазона питающих напряжений, рассчитываются параметры остальных элементов схемы.
Например, резистор, задающий рабочий режим микросхемы DA1 должен обеспечивать ток не менее 0.5 мА при напряжении на С1 = 293 В. Максимальное количество светодиодов не должно превышать NLED = 100 мА). Отлично подойдут упомянутые выше 1N4007.
Как видите, схемка простейшая и не содержит каких-либо доростоящих компонентов. Вот текущие цены (и они, скорее всего, будут и дальше снижаться):
| название | характеристики | стоимость |
|---|---|---|
| SMD 5630 | LED, 3.3V, 0.15A, 0.5W | 240руб. / 1000шт. |
| LM317 | 1.25-37V, >1.5A | 112руб. / 10шт. |
| MB6S | 600V, 0.5A | 67руб. / 20шт. |
| 120μF, 400V | 18х30mm | 560руб. / 10шт. |
Таким образом, потратив в общей сложности 1000 руб., можно собрать десяток 30-ваттных (. ) не мерцающих (. ) лампочек. А так как светодиоды работают не на полную мощность, а единственный электролит не перегревается, то эти лампы будут практически вечными.
Вместо заключения
К недостаткам приведенных в статье схем следует отнести низкий КПД за счет бесполезной траты мощности на регулирующих элементах. Впрочем, это свойственно всем линейным стабилизаторам тока.
Низкий коэффициент полезного действия неприемлем для устройств, питающихся от автономных источников тока (светильники, фонарики и т.п.). Существенного повышения КПД (90% и более) можно добиться применением импульсных стабилизаторов тока.
Платон Константинович Денисов, г. Симферополь
Идеальный источник тока позволяет получить ток, не зависящий от сопротивления нагрузки. Параметры диодного источника тока, обуславливающие область применения прибора, рассматриваются в этой статье.
Для упрощения электрических схем удобно использовать диодные источники тока, представляющие собой двухвыводной компонент с низкой стоимостью, устанавливаемый в цепи схем последовательно с различными компонентами. Такое схемное решение проблемы стабилизированного тока привлекает простотой и повышением устойчивости работы разрабатываемых схем приборов. Один полупроводник этого класса, в зависимости от типа, обеспечивает стабилизацию тока на уровне от 0.1 до 30 миллиампер. Термина и схемного обозначения для наименования этих полупроводниковых приборов в соответствии с ГОСТ найти не удалось. В иллюстрациях к статье пришлось применить схемное обозначение обычного диода.
Один из примеров использования – питание светодиода. Диодный источник тока, включенный последовательно светодиоду, обеспечивает стабильную и надежную работу светодиода. Одна из особенностей диодного источника тока – работа в диапазоне напряжений от 1.8 до 100 В, позволяющая защитить светодиод от выхода из строя при импульсных изменениях напряжения повышает надежность светодиодного индикатора и расширяет диапазон допустимых отклонений питания. Яркость и оттенок свечения светодиода зависят от протекающего тока. Стабилизация тока питания светодиода позволяет задать требуемый режим работы с неплохой точностью. С помощью диодных источников тока можно построить индикатор или осветительную лампу, предназначенную для питания от сети переменного тока 220 В. Такой прибор будет иметь постоянную яркость свечения при значительном падении напряжения питания. Низкая потребляемая мощность и длительный срок службы являются неоспоримыми преимуществами светодиодных ламп по сравнению с лампами накаливания и газонаполненными осветительными приборами.
Применение резистора в цепи питания светодиода для индикации питания двигателя постоянного тока микродрели приводило к быстрому выходу индикатора из строя. Использование диодного источника тока позволило получить надежную работу индикатора и постоянную яркостью свечения. Требуемый режим можно получить, меняя тип диодного источника тока, или включая 2 — 3 штуки параллельно. Превышение диодным источником тока стоимости резистора на несколько центов оправдывает увеличение надежности работы индикатора.
Простая схема зарядного устройства аккумулятора получается при параллельном включении диодных источников тока.
При питании входного светодиода оптрона через резистор пульсации напряжения питания схемы приводят к колебаниям яркости, которые накладываются на фронт входного прямоугольного импульса. Напряжение питания схемы всегда содержит пульсации. Если пульсации питающего напряжения 5 В имеют уровень 50 мВ, то пульсации напряжения на светодиоде будут около 13 мВ.
При большом быстродействии оптрона пульсации напряжения питания приведут к искажению информации, передаваемой через оптрон.
Применение диодного источника тока для питания светодиода, входящего в состав оптрона, позволяет снизить искажения цифрового сигнала, передаваемого через оптрон.
Для создания источника опорного напряжения используются диодный источника тока и резистор. Применение источника стабильного тока улучшает параметры источника опорного напряжения и дает возможность включать источник опорного напряжения в схемы с большими колебаниями напряжения питания. Схема с низким уровнем шумов и возможностью точно установить требуемое значение опорного напряжения с помощью переменного сопротивления показана на рисунке.
Вольтамперная характеристика помогает понять работу диодного источника тока. Режим стабилизации начинается при превышении напряжения 1.8 В на выводах прибора. При напряжениях более 100 В происходит пробой прибора. Отклонение тока стабилизации от номинального, в зависимости от экземпляра прибора, составляет ±10 процентов. При изменении напряжения от 1.8 до 100 В ток стабилизации меняется на 5 процентов. Диодные источники тока, выпускаемые некоторыми производителями, изменяют ток стабилизации при изменении напряжения до 20 процентов. Чем выше ток стабилизации, тем больше отклонение при изменении напряжения. Параллельное включение пяти приборов, рассчитанных на ток 2 мА, позволяет получить более высокие параметры, чем у одного на 10 мА.
Дешевые диодные источники тока представляют собой отобранные по току полевые транзисторы, у которых затвор соединен с истоком. Обобщенная зависимость прямого и обратного тока от прямого и обратного напряжения изображена на рисунке. Диодный источник тока превращается в обычный диод при смене полярности напряжения, приложенного к его выводам. Это свойство обусловлено тем, что p-n переход полевого транзистора оказывается смещенным в прямом направлении, и ток течет по цепи затвор-сток. Максимальный обратный ток диодного стабилизатора тока может достигать 50 мА, а у некоторых типов и 100 мА. Это свойство позволяет разработать несложный преобразователь синусоидального сигнала в прямоугольный.
Амплитуда выходного сигнала, форма которого близка к прямоугольной, задается напряжением стабилизации стабилитрона. Диодный источник должен обеспечить номинальный ток, необходимый для работы стабилитрона. В файле математической модели Electronics Workbench 5.12, прилагаемом к статье, показана работа преобразователя. Преобразование синусоидального сигнала в треугольный сигнал осуществляет схема, в которой стабилитроны заменены конденсатором.
Удвоенная амплитуда (разность потенциалов между максимумом и минимумом) равняется
I – ток стабилизации диодных источников тока,
t – время изменения напряжения между минимумом и максимумом,
С – емкость конденсатора.
В файле математической модели Electronics Workbench 5.12, прилагаемом к статье, показана работа преобразователя.
Для стабилизации токов порядка ампера применяется схема, силовой элемент которой мощный транзистор. Диодный источник тока стабилизирует напряжение на резисторе 200 Ом и на выводе базы транзистора 2Т819. Изменение сопротивления резистора R1 от 0.2 до 10 Ом изменяет ток, поступающий в нагрузку. С помощью этой схемы можно получить ток, ограниченный максимальным током транзистора или максимальным током источника питания. Выбор диодного источника тока с возможно большим номинальным током стабилизации улучшает стабильность выходного тока схемы. Изменение резистора R1 на 1-2 Ом сильно меняет значение тока. Этот резистор должен быть большой мощности, изменение сопротивления из-за нагрева приведет к отклонению выходного тока от заданного значения. Резистор 200 Ом можно заменить переменным для точной настройки выходного тока или для построения регулируемого источника стабильного тока. Для улучшения стабильности тока транзистор 2Т819 усиливается вторым транзистором меньшей мощности. Транзисторы соединяются по схеме составного транзистора Дарлингтона. При использовании составного транзистора минимальное напряжение стабилизации увеличивается. В файле математической модели Electronics Workbench 5.12, прилагаемом к статье, показана работа мощного источника тока.
Улучшенным вариантом диодного источника тока является схема на полевом транзисторе с автоматическим смещением, где резистор обеспечивает обратную связь по току и увеличивает обратное смещение затвора, что приводит к работе транзистора на более предпочтительном участке характеристики, расположенном ниже характеристики начального тока стока. По графику выходной характеристики полевого транзистора КП312А видно как можно управлять током насыщения, меняя напряжение между затвором и истоком. Ток, протекающий через схему стабилизации, создает на резисторе напряжение затвор-исток. Изменяя сопротивление резистора можно задать стабилизируемый ток. Включение в цепь истока резистора снижает отклонение стабилизируемого тока до двух процентов.
Схема, обладающая более высокими характеристиками, состоит из двух полевых транзисторов. Транзистор VT1 обеспечивает уменьшение колебаний напряжения на стоке VT2. Транзистор VT1 должен иметь более высокий начальный ток стока, так как в истоковую цепь входит резистор и сопротивление канала VT2. Также большой начальный ток стока необходим для работы транзистора на линейном участке выходной характеристики, находящемся между вертикальной осью тока и пунктирной линией напряжения насыщения. Транзистор VT2 стабилизирует ток через сток-исток транзистора VT1, что не позволяет транзистору VT2 перейти в режим насыщения. Таким образом, транзисторы задают режимы работы друг друга. При увеличении напряжения на полюсах схемы сопротивление канала VT1 возрастает. При увеличении напряжения, приложенного к выводам схемы, сопротивление сток-исток транзистора VT2 возрастает и отрицательное напряжение затвор-исток транзистора VT1 увеличивается по модулю. Сопротивление сток-исток транзистора VT1 возрастает, большая часть напряжения падает на транзисторе VT1. В файле математической модели Electronics Workbench 5.12, прилагаемом к статье, показана работа схемы. Меняя в программе Electronics Workbench 5.12 напряжение источника питания интересно пронаблюдать значение тока и напряжения на транзисторах VT1 и VT2.
Диодные источники тока выпускаются многими производителями полупроводников. Параметры некоторых типов приведены в таблице.
Георгий Меньшиков 12 февраля 2018- Источники питанияСамоделки для радиолюбителей
Простой в изготовлении самодельный стабилизатор тока с возможностью регулировки найдет применение в любом гараже.
Стабилизатор тока — одно из простейших электронных устройств. Чтобы задать требуемый ток, нужно изменить сопротивление резистора R в соотношении J = 1,2/R 
Обычно стабилизаторы встроены в зарядные устройства, но часто требуется зарядить батареи различной емкости, поэтому зарядный ток должен быть разным. Например, в моем хозяйстве, кроме автомобильного аккумулятора с емкостью 50 Ач, есть еще аккумулятор охранной сигнализации 7 Ач, дрель 2 Ач, фонарь 1 Ач, батарея фотоаппарата 2600 мАч и телефона 650 мАч. Соответственно, ток нужно изменять от 5 ампер до 65 миллиампер.
Возникла мысль сделать стабилизатор — приставку, обеспечивающую возможность зарядки различных аккумуляторов.
Старый стабилизатор, на ток 5,5 ампер был разобран и вместо резисторов
по 0,47 Ом было установлено устройство на базе галетного переключателя 6П6Н, имеющего шесть секций контактов. На фото показана одна секция.
Контакты и резисторы соединены по схеме. При повороте переключателя резисторы подключаются параллельно.
В первом, по схеме, положении переключателя включена цепочка из резистора 1,2 Ом. и переменного резистора 25 Ом. Ток регулируется от 1 ампера (резистор выведен в ноль) до пятидесяти миллиампер (резистор полностью введен).
Во втором положении переключателя (R= 1,2 Ом.) ток будет 1 ампер.
В третьем положении (R = 0,6 Ом.) ток будет 2 ампера.
В четвертом, пятом и шестом положениях, соответственно – 3,4 и 5 ампер.
Мощность, выделяемая на каждом резисторе, при токе 1 ампер будет 1,2 Вт., поэтому в схеме использованы двухваттные резисторы.
Коммутируемый ток переключателя, допускаемый по ТУ, 2 ампера при напряжении 30 вольт. (Двукратный запас).
Печатная плата устанавливается на переключатель. Чтобы укрепить ее, нужно снять с переключателя донышко (оно крепится двумя гайками), установить плату и закрепить ее снятым ранее донышком.
Первоначально переключатель был сделан в компактном варианте. Резисторы были установлены прямо на контактах переключателя. Это была ошибка. Желающие повторить конструкцию не повторяйте мою ошибку.
Резисторы, хоть и не сильно, но нагреваются, а термоусаживаемая трубка, надетая на них, еще больше ухудшает теплоотвод.
Конструкция была изменена. Теперь резисторы установлены на небольшой печатной плате, выполненной из стеклотекстолита.
Печатная плата настолько проста, что ее даже трудно назвать печатной. Дорожки нанесены от руки перманентным маркером, затем плата протравливалась в растворе хлорного железа и потом готовые дорожки облуживались.
Вот здесь небольшое отступление. Обычно дорожки облуживают припоем, получается грубо, и исправить это практически невозможно.
Я покрыл дорожки с помощью паяльника, как обычно, но сплавом Розе, температура плавления которого 94 – 98 градусов.
Получилось тоже грубо, но потом положил плату на подошву утюга, прогрел ее и тряпочкой удалил лишний припой. Поверхность получилась зеркальной. Этот изыск для переключателя конечно не нужен, но может пригодиться при изготовлении более сложных печатных плат.
В результате получился вот такой компактный и удобный переключатель.
Р.S Свободную шестую секцию на схеме можно использовать для индикации положения переключателя, применив, например, светодиоды и др.
На схеме, в качестве примера, нарисованы зеленые лампочки.
Автор статьи “Самодельный регулируемый стабилизатор тока от 0,05 до 5 А” Георгий Меньшиков