Простые линейные стабилизаторы тока для светодиодов своими руками

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 см2 (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 см2.

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:

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.

Принципы расчета характеристик

Параметрический стабилизатор напряжения

Для простейшего расчета характеристик требуются следующие данные:

• Напряжение питания;
• Ток нагрузки;
• Выходное напряжение.

Порядок расчета:

1. Исходя из выходных параметров, определяется тип стабилизирующего элемента;
2. Выбирается ключевой элемент по критериям:

• Коэффициент стабилизации Вst≥Iн/Iст;
• Допустимое напряжение коллектор-эмиттер больше максимального входного;
• Максимальный ток коллектора должен быть больше нагрузки.

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:

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 < (358 — 6) / 3.2, причем, чем их больше, тем выше яркость светильника и тем меньшая мощность будет уходить в никуда (рассеиваться в виде тепла на транзисторе VT1). Максимальное напряжение Uкэ транзистора VT1 должно быть не ниже 358 — (ULED * NLED).

LM7805, LM7812…

Любой интегральный стабилизатор напряжения можно превратить в стабилизатор тока, добавив всего один резистор в соответствии со схемой:

Только надо учитывать, что, при таком включении, входное напряжение должно быть больше, чем напряжение стабилизации микросхемы на некоторую величину (падение напряжение на самом стабилизаторе). Обычно это где-то 2-2.5 вольта. Ну и, само собой, добавить напряжение на нагрузке.

Вот, например, конкретный пример стабилизатора тока для светодиодов на ЛМ7812:

Потребляемый ток (как и ток через светодиоды) — 300 мА. Мощность светильника ~10 Ватт.

Все параметры схемы рассчитаны на 10 светодиодов SMD 5730-1 с прямым напряжением 3.3 вольта на каждом и максимальным током — 350 мА (см. даташит), покупал тут.

Есть еще очень похожие светодиоды — SMD 5730 (без единички в названии). У них мощность всего 0.5 Вт и максимальный ток 0.18 А. Так что не перепутайте.

Так как при последовательном подключении светодиодов общее напряжение будет равно сумме напряжений на каждом из светодиодов, то минимальное напряжение питания схемы должно быть: Uпит = 2.5 + 12 + (3.3 х 10) = 47.5 Вольт.

Рассчитать сопротивление и мощность резистора под другие значения тока можно с помощью простенькой программки Regulator Design ().

Очевидно, что чем выше выходное напряжение стабилизатора, тем больше тепла будет выделяться на токозадающем резисторе и, следовательно, тем хуже КПД. Поэтому для наших целей лучше подойдет LM7805, чем LM7812.

Но я бы порекомендовал использовать для сборки своими руками драйвер для светодиода на lm317 (см. далее).

LM317

Не менее эффективным получается линейный стабилизатор тока для светодиодов на LM317. Типовая схема включения:

Простейшая схема включения LM317 для светодиодов, позволяющая собрать мощный светильник, состоит из выпрямителя с емкостным фильтром, стабилизатора тока и 93 светодиодов SMD 5630. Здесь применены MXL8-PW35-0000 (3500K, 31 Lm, 100 mA, 3.1 V, 400 mW, 5.3×3 mm).

Если такая большая гирлянда из светодиодов не нужна, то к драйверу на LM317 для питания светодиодов придется добавить балластный резистор или конденсатор (чтобы загасить лишнее напряжение). Как это сделать мы очень подробно рассматривали в этой статье.

Недостаток такой схемы токового драйвера для светодиодов в том, что при повышении напряжения в сети выше 235 вольт, LM317 окажется за пределами расчетного режима работы, а при снижении до ~208 вольт и ниже, микросхема совсем перестает стабилизировать и глубина пульсаций будет целиком и полностью зависеть от емкости С1.

Поэтому использовать такой светильник нужно там, где напряжение более менее стабильно. И на емкости этого конденсатора не стоит экономить. Диодный мост можно взять готовый (например, миниатюрный MB6S) или собрать из подходящих диодов (Uобр не менее 400 В, прямой ток >= 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):

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.

Выбор устройства

• Размеры. Выбранный стабилизатор должен компактно размещаться в запланированном для него месте для установки с возможностью нормального доступа.
• Вид. Из имеющихся в продаже устройств наиболее надежными, компактными и недорогими являются стабилизаторы на основе небольших микросхем.
• Возможность самостоятельного ремонта. Так как даже самые надежные устройства выходят из строя, необходимо отдавать предпочтение ремонтопригодным стабилизаторам, радиодетали к которым имеются в продаже в достаточном количестве и по доступной цене.
• Надежность. Выбранный стабилизатор должен обеспечивать постоянное значение напряжения без значительных отклонений от заявленного их производителем диапазона.
• Стоимость. Для электрической системы автомобиля достаточно приобрести устройство стоимостью до 200 рублей.

Также при выборе стабилизатора необходимо учитывать отзывы их покупателей, которые можно найти на специализированных форумах и сайтах.

Стабилизированный регулируемый блок питания с защитой от перегрузок

Множество радиолюбительских блоков питания (БП) выполнено на микросхемах КР142ЕН12, КР142ЕН22А, КР142ЕН24 и т.п. Нижний предел регулировки этих микросхем составляет 1,2…1,3 В, но иногда необходимо напряжение 0,5…1 В. Автор предлагает несколько технических решений БП на базе данных микросхем.

Интегральная микросхема (ИМС) КР142ЕН12А (рис.1) представляет собой регулируемый стабилизатор напряжения компенсационного типа в корпусе КТ-28-2, который позволяет питать устройства током до 1,5 А в диапазоне напряжений 1,2…37 В. Этот интегральный стабилизатор имеет термостабильную защиту по току и защиту выхода от короткого замыкания.

Рис.1. ИМС КР142ЕН12А

На основе ИМС КР142ЕН12А можно построить регулируемый блок питания, схема которого (без трансформатора и диодного моста) показана на рис.2. Выпрямленное входное напряжение подается с диодного моста на конденсатор С1. Транзистор VT2 и микросхема DA1 должны располагаться на радиаторе. Теплоотводящий фланец DA1 электрически соединен с выводом 2, поэтому если DA1 и транзистор VD2 расположены на одном радиаторе, то их нужно изолировать друг от друга. В авторском варианте DA1 установлена на отдельном небольшом радиаторе, который гальванически не связан с радиатором и транзистором VT2.

Конструкция и принцип работы

Простейшее устройство состоит из трансформатора, выпрямительного моста, соединенного с резисторами и конденсаторами. Действие стабилизатора основывается на следующих принципах:

• подача тока на трансформатор и изменение его предельной частоты до частоты электросети – 50 Гц;
• регулировка напряжения на повышение и понижение с последующим выравниванием частоты до 30 Гц.

В процессе преобразования также задействуются выпрямители высоковольтного типа. Они определяют полярность. Стабилизация электрического тока осуществляется при помощи конденсаторов. Для снижения помех применяются резисторы.

Базовая конфигурация

Главная задача стабилизатора — обеспечить постоянство выходного напряжения и подавление пульсаций. Конструкция стабилизатора основана на простейшей схеме, но каждый её элемент я выбирал так, чтобы он идеально выполнял свою функцию:Для максимального подавления входных шумов сопротивление резистора R должно быть максимально, а в внутреннее сопротивление источника опорного напряжения Vref как можно ниже. Да и работать формирователь опорного напряжения будет лучше, если его питать от высокоомного источника. Таким требованиям отвечает источник стабильного тока (ГСТ).

Для высоковольтного стабилизатора я использовал ГСТ на двух транзисторах, что обеспечивает большую стабильность тока при колебаниях питающего напряжения.

Для низковольтных стабилизаторов можно использовать аналогичную схему или просто одиночный диод.

Для высоковольтных стабилизаторов я выбрал значение тока ГСТ около 5мА. Для низковольтных стабилизаторов можно выбрать значение поменьше.

Микросхеме TL431 для нормальной работы требуется минимум 2 мА.

Важное замечание: ГСТ на двух транзисторах может иногда возбуждаться, если использовать высокочастотные транзисторы. Поэтому я выбрал транзисторы MJ340/350 которые, как показывает мой опыт, работают стабильно

Стабилитроны довольно шумные и кроме того имеют плохой температурный коэффициент. Выходное напряжение при их использовании будет меняться в зависимости от температуры окружающей среды, а если в вашем усилителе активная вентиляция, то тем более. Кроме того, стабильность их внутреннего сопротивления тоже оставляет желать лучшего.

Вместо них я использовал TL431 в качестве источника опорного напряжения, так как их шумовые характеристики весьма достойны, они имеют низкое выходное сопротивление и довольно широкий диапазон выходных напряжений, которое устанавливается с помощью простого делителя.

Видео

Регулируемый стабилизатор напряжения

1305 ₽ Подробнее

435 ₽ Подробнее

Фотопринтеры

Вторая схема

Схема устройства, показанная на рис. 2, лишена такого недостатка . Это позволяет применять его практически в любой аппаратуре: как в различных цифровых, так и в звуковоспроизводящих и радиоприемных устройствах.

Стабилизатор содержит коммутирующий составной транзистор VT1, VT2, коммутирующий диод VD2 и дроссель L1. В узел управления входят опорный элемент на транзисторе ѴТЗ и компаратор DA1.

На выходе стабилизатора включен транзисторный фильтр ѴТ4, ѴТ5. Основа узла управления — компаратор DA1 на ОУ типа К140УД12. К его инвертирующему входу подключен микромощный опорный элемент, выполненный на обратносмещенном эмиттерном переходе транзистора ѴТЗ. Напряжение его стабилизации (лавинного пробоя) 7…7,5 В обеспечивается при токе 20…30 мкА.

Рис. 2. Схема экономичного импульсного стабилизатора напряжения.

На неинвертирующий вход ОУ подается сигнал с резистивного делителя R5 — R7. Выходное напряжение регулируется потенциометром R6.

Конденсатор C3 увеличивает фазовый сдвиг сигнала обратной связи, что необходимо для циклического характера работы устройства. Он же определяет рабочую частоту и в значительной мере влияет на величину пульсаций.

Выход компаратора подключен к базе составного транзистора (VT1, VT2) через резистор R3, задающий ток управления, и стабилитрон VD1, который обеспечивает отсечку управляющего тока и надежное закрывание коммутирующего транзистора во всем интервале входного напряжения. Конденсатор С2 подавляет высокочастотные помехи.

На выходе стабилизатора включен не традиционный LC-фильтр, а транзисторный, что позволяет улучшить динамические характеристики устройства и подавить пульсации не менее чем на 40 дБ.

У транзисторного фильтра есть еще одно преимущество — «мягкое» включение стабилизатора: его выходное напряжение плавно нарастает в течение 2…4 с. Негативным моментом использования транзисторного фильтра является снижение КПД стабилизатора на 6…8%.

Дроссель L1 содержит 28 витков провода ПЭВ-2 0,57, намотанного на броневом магнитопроводе Б14 из феррита 2000НМ. Немагнитный зазор 0,2 мм в магнитопроводе обеспечен прокладкой из бумаги.

Транзисторы устройства при номинальном токе не требуют теплоотвода. Если стабилизатор предполагают эксплуатировать при токе нагрузки более 50 мА, то транзистор ѴТ1 должен быть типа КТ81х и его следует установить на теплоотвод площадью 10… 15 смг. Допустимо использовать транзисторы КТ639, КТ644, тогда выходной ток стабилизатора можно увеличить до 0,5 А.

Общие понятия

Общеизвестен принцип дуговой сварки. Освежим в памяти основные понятия. Чтобы получить сварочное соединение, необходимо создать дугу. Электрическая дуга возникает при подаче напряжения между сварочным электродом и поверхностью свариваемого материала. Ток дуги расплавляет металл, образуется расплавленная ванна между двумя торцами. После остывания шва получаем крепкое соединение двух металлов.

В России переменный ток регламентирован частотой 50 Гц. Питание для сварочного аппарата подается от сети фазным напряжением 220 В. Сварочные трансформаторы имеют две обмотки: первичную и вторичную. Вторичное напряжение трансформатора составляет 70 В.

Разделяют ручной и автоматический режим сварки. В условиях домашней мастерской сварку проводят в ручном режиме. Перечислим параметры, которые изменяют в ручном режиме:

• сила тока сварки;
• напряжение дуги;
• скорость сварочного электрода;
• количество проходов на шов;
• диаметр и марка электрода.

Правильный выбор и поддержание на протяжении сварочного процесса необходимых параметров являются залогом качественного сварного соединения.

При проведении ручной дуговой сварки необходимо грамотно распределять ток. Это позволит выполнить качественный шов. Стабильность дуги напрямую зависит от величины сварочного тока. Специалисты подбирают ее исходя из диаметра электродов и толщины свариваемых материалов.