Как сделать стабилизатор для светодиодов


Как сделать стабилизатор для светодиодов

Как сделать стабилизатор для светодиодов

Как сделать стабилизатор для светодиодов



К изучению данной темы подстегнул перегоревший светодиод (кукурузина) в габаритах за 250рублей. Установив на машину данную хрень, столкнулся с тем, что те довольно быстро вышли из строя из-за некачественного питания.

Преамбула

Автомобильная бортовая электросеть — довольно «грязная» среда в плане всяческих помех, просадок и выбросов напряжения. Тут импульсные помехи до ста и более вольт амплитуды при работе генератора, «гуляющее» напряжение, в зависимости от состояния аккумулятора и оборотов двигателя, сильные просадки при работе стартера. Плюс привнесенные помехи от некачественных потребителей внутри самого авто, статические наводки от движущихся частей ходовой и внешних источников, типа трамвайных линий и ЛЭП, и т. д. Если штатные электронные узлы автомобиля, как правило, имеют хорошую защиту и фильтрацию от подобного рода проблем, то менее важные электроцепи, такие например, как цепи освещения или прикуривателя, практически от них не защищены. Это следует учитывать при собственноручной модификации автомашины. Набирающие сейчас популярность дневные ходовые огни и светодиодное освещение, используют в качестве светоилучающих элементов светодиоды (LED — light emitting diode). С электротехнической точки зрения, светодиод это очень требовательный к источнику питания потребитель. Для работы в номинальном режиме, а следовательно и для сохранения заявленного срока службы и светосилы, светодиодам требуется питание постоянным, строго дозированным током, отсутствие импульсных помех, особенно обратной, по отношению к рабочей, полярности. Результат невыполнения данных условий вы наверняка видели на любой оживленной улице, глядя на авто с копеечными китайскими «кластерами» — часть светодиодов не горит, другая мерцает в такт генератору или едва тлеет. Печальное зрелище. Причина в том, что в таких кластерах используются в лучшем случае токоограничительные резисторы и диоды для исключения выбросов обратной полярности и защиты от переполюсовки, при этом никакой фильтрации и стабилизации не предусмотрено. От такой простейшей схемы есть толк только при питании стабилизированным и отфильтрованным напряжением (но даже в этом случае не учитывается температурный режим светодиодов). Таким образом, вся «грязь» из автомобильной бортсети, попадает прямиком на нежные кристаллы светодиодов, вызывая их преждевременную деградацию и разрушение. Очевидно, что для избежания этого, следует питать светодиоды через фильтр-стабилизатор. В идеале это должен быть стабилизатор тока, но для питания фабрично изготовленных осветителей, изначально рассчитанных на питание от 12 вольт, подойдет и стабилизатор напряжения.

Собственно сама смысловая нагрузка: (осторожно, многабукаф)

Итак, наше ТЗ состоит в следующем: имея на входе напряжение бортовой сети автомобиля со всеми его бросками, просадками и помехами, получить на выходе стабильные 12 вольт с током нагрузки порядка 0,3-0,4 ампера.
Здесь мы сталкиваемся с первой трудностью — напряжение бортсети в разных ситуациях может быть как выше, так и ниже 12 вольт. Усредненно примем диапазон изменения входного напряжения как 8-16 вольт. Соответственно, схеме стабилизатора в различных ситуациях придется работать как в повышающем, так и в понижающем режиме. Следовательно, сразу можно отбросить такой простейший вариант, как применение параметрического стабилизатора (отечественная МС КР12ЕН или зарубежная LM7812), поскольку данные микросхемы работают только на понижение, подвержены нагреву в работе, и требуют превышения входного напряжения как минимум на пару вольт над выходным. Очевидно, что лучшим выбором будет применение импульсного преобразователя напряжения, причем способного работать в повышающе-понижающем режиме. Для построения данного преобразователя, воспользуемся топологией SEPIC (single-ended primary inductor converter, преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью), а в качестве управляющей микросхемы, применим дешевую и широко распространенную MC3x063, имеющую массу аналогов.
Более подробное описание архитектуры SEPIC и принципы действия базирующихся на ней преобразователей, можно найти в интернете, просто введя в поисковике строку «sepic converter». Эта тема достаточно хорошо разжевана, в том числе есть масса статей на русском языке, поэтому подробно останавливаться на этом не будем. Нам же сейчас более важен тот факт, что sepic-переобразователь позволяет получать стабильное выходное напряжение при входном напряжении как выше, так и ниже выходного. Отличная статья с описанием методики расчета параметров такого преобразователя и даже онлайн-калькулятором, находится . По сути рассматриваемая в статье схема, является переработанным под автомобильную специфику решением, имеющимся на том же сайте.
Следует сразу отметить, что поскольку схема содержит несинхронный элемент — диод шоттки, а управляющая микросхема имеет относительно невысокую рабочую частоту, ее нагрузочная способность весьма невелика. По сути 1-1,5 ампера является разумным пределом тока нагрузки, поскольку с его ростом, растут также пиковые токи через ключ, диод и катушки (которые в среднем втрое больше номинального тока). Конечно, все это можно решить, применяя более мощные транзистор и диод, используя внешний теплоотвод и катушки, намотанные толстым проводом, но габариты подобного изделия, КПД и тепловые потери при этом получатся совершенно неприемлемыми. Для питания мощных потребителей, вроде ноутбука или автомобильного компьютера, лучше применять иные схемотехнические решения, например схемы синхронных преобразователей на МС LTC3780 или БП с трансформаторной развязкой. В нашем же случае, рассмотренная ниже схема вполне подойдет.
Вторая проблема — защита от помех. Ее решить относительно просто. На входе должен стоять хороший LC-фильтр для гашения различных гармоник периодических помех и сглаживания бросков тока. Для защиты от импульсных помех, применим супрессор или TVS-диод, на худой конец сойдет и двуханодный стабилитрон, хотя толку от него в этом качестве почти никакого.
Далее представлены две принципиальные схемы, на одной из которых изображен преобразователь напряжения, а на другой — преобразователь тока. Соответственно, первый выдает постоянное напряжение при изменении тока нагрузки в некоторых пределах, что подходит для питания готовых осветителей, приобретаемых в магазине, поскольку те уже рассчитаны на напряжение 12 вольт. Второй же выдает постоянный ток при изменении напряжения в некоторых пределах, в данном случае схема посчитана для тока 20мА — стандартного тока большинства широко распространенных светодиодов. Это позволяет подключить цепочку из десятка последовательно соединенных светодиодов прямо к стабилизатору, что может пригодиться, например, если вы сделали самодельное светодиодное освещение типа «ресниц» или «ангельских глазок» в фары.
Конечно же, никто не мешает пересчитать номиналы элементов схем под свои запросы.

Краткое описание назначения элементов схемы. Так как обе схемы почти одинаковы, то номера элементов буду давать по первой.
Входной фильтр собран на конденсаторах С7-С9, выполняющих сглаживающие и блокировочные функции, супрессора VDR1, «обрезающем» ВЧ-помехи и дросселе L2, выполняющем в данной схеме двойное назначение как сглаживателя бросков тока, так и накопителя энергии. Вместо супрессора можно, и даже более желательно, применить TVS-диод, но так как такие диоды довольно редко встречаются в розничной продаже, по крайней мере в Уфе, то сойдет и первый вариант. В крайнем случае, если не удается найти ни того, ни другого, можно ограничиться бюджетным вариантом: двумя стабилитронами, включенными встречно Однако это будет самым худшим решением в плане быстродействия и надежности защиты. Диод VD3 служит для защиты от переполюсовки.
В качестве управляющей микросхемы используется NCP3063 с соответствующей обвязкой. Кстати, если вместо нее планируется использование аналогов типа MC3x063 и прочих, у которых восьмой вывод задействован, нужно просто соединить его накоротко с седьмым. Обвязка состоит из следующих элементов: С6 — фильтр по питанию МС; R3 — ограничение максимального тока через встроенный в МС ключ, в принципе можно заменить перемычкой, но наличие этого резистора может спасти микруху от перегорания если какой либо из внешних транзисторов пробъется, так что пусть лучше будет; C5 — частотозадающий конденсатор; R4-R5 — делитель контура обратной связи, формулу расчета делителя см. в датшите на МС; VD2, R2, VT2 — драйвер полевого транзистора VT1, обеспечивающий форсированный заряд-разряд затвора. При наличии высокого уровня на 2-м выводе МС, затвор VT1 быстро заряжается через диод, а при низком уровне также быстро сливается на землю через открывающийся транзистор VT2. Как вариант, драйвер можно реализовать на комплементарной паре npn и pnp транзисторов, например марки BC817-BC819, как это было описано в ранней статье про сверлилку плат. Кроме того, если большие выходные токи не планируются и ограничены 100 мА или менее, можно вовсе обойтись без внешнего ключа и драйвера, используя непосредственно внутренний ключ МС.
Сам преобразователь состоит из двух катушек L1-L2, ключа VT1, проходного конденсатора С3 и диода VD1. Цепочка R1-C4 является снаббером для гашения паразитных колебаний при переключении транзистора. Практика показывает, что и без него схема работает отлично, я просто не стал заморачиваться, и перенес его с чужой схемы. С3 ставить только керамику, VD1 с пиковым током не менее тройного тока нагрузки.
C1-C2 формируют выходной фильтр, самовосстанавливающийся предохранитель F1 защищает схему от перегрузки в случае короткого замыкания выхода на массу. Об этом следует упомянуть особо: представленная схема стабилизатора очень «боится» перегрузок и коротких замыканий. С большой долей вероятности даже непродолжительное КЗ приведет к перегреву и выгоранию ключа, а возможно также и диода. Поэтому предохранитель в выходной цепи обязателен! В частности, представленная схема стабилизатора напряжения может без вреда для себя выдавать ток до 400 мА. Эту величину можно увеличить, применив более мощный транзистор и диод, однако приведенную ниже плату придется переразвести под другой корпус транзистора, поскольку используемый здесь полевик в корпусе SOT23 имеет невысокую рассеиваемую мощность, что является платой за миниатюрность. «Землю» данной схемы допускается присоединять к массе автомобиля в одной точке, а «земли» потребителей можно цеплять на массу, в любом месте кузова.
Отличие схемы стабилизатора тока от стабилизатора напряжения заключается в по-иному организованной цепи обратной связи. Здесь сигнал ОС формируется падением напряжения на шунте R1, и через компенсационную цепочку R4-C7 поступает на вход компаратора МС. Величину сопротивления шунта для получения требуемого тока можно вычислить по формуле Rш=1,25/Iвых, а минимальную рассеиваемую шунтом мощность по формуле Pш=1,25Iвых. Стабилитрон VD1 служит для сбережения нагрузки от возможных скачков напряжения.
Следует также особо отметить, что в отличие от варианта со стабилизацией напряжения, минусовой вывод нагрузки не допускается «сажать на массу», он должен быть обязательно включен через «минус» стабилизатора. Иначе схема работать не будет.
Если имеется необходимость диммирования (т. е. изменения яркости свечения светодиодов или полного их гашения), то на 5-й вывод МС можно подавать постоянное, либо широтно-импульсно-модулированное напряжение величиной от 1.25 до 40 вольт. Подав постоянное напряжение, мы полностью погасим подключенные светодиоды, а подводя ШИМ-сигнал, получим изменение яркости пропорционально коэффициенту заполнения. Простейший ШИМ-генератор с регулируемой скважностью можно собрать, например на 555 таймере или микроконтроллере. Рекомендуемая частота ШИМ порядка 200 Гц — при этом человеческий глаз уже не различает мерцание, а индуктивности еще не издают ВЧ-свист.
Ниже представлен рисунок платы, собранной для товарища. Стабилизатор напряжения на 12 вольт для питания светодиодных габаритных ламп суммарной мощностью не более 400 мА. При разводке платы я постарался найти компромиссное решение по критериям цена-мощность-габариты, поэтому на плате присутствуют как традиционные выводные детали, так и компоненты для поверхностного монтажа. За то готовое изделие получилось размером с одноразовую зажигалку, а общая стоимость всей входящей в комплект рассыпухи вышла на полторы сотни рублей.

Возможность диммирования не заложена, так как нам оно без надобности. Готовое изделие имеет габариты порядка 70 на 20 мм, высота 25 мм (из-за высокого электролита, но его при желании можно заменить на низкопрофильный или положить на бок). Входные и выходные контактные площадки имеют стандартные размеры для установки винтовых клеммников, облегчающих подключение-отключение проводов. Три крепежных отверстия под винты М3 позволяют закрепить плату в корпус или удобное для подводки место. Внимание! Подложка, на которую крепится плата должна быть непроводящей, иначе все закоротит! Перед установкой в автомобиль, плату желательно покрыть защитным лаком в несколько слоев, чтобы минимизировать влияние на схему перепадов температуры и влажности.

Так готовое изделие выглядит в реальности:

Проверяем под нагрузкой и при входном напряжении 4,5 вольта

Есть некоторые отличия от рисунка платы, приведенного выше — ранняя версия. Можно было бы сделать еще компактнее и тоньше, используя только детали для поверхностного монтажа, но цена сразу ощутимо возросла бы — танталловые конденсаторы весьма дороги по сравнению с электролитами аналогичной емкости.
При попытке воспроизвести изделие у людей, не имеющих опыта пайки SMD компонентов могут возникнуть некоторые трудности, поэтому если будет интерес к данной теме, могу сделать разводку платы под микруху в DIP корпусе и традиционные выводные детали. Габариты конечно увеличатся, за то паять будет просто.
Схема, плата в Spring Layot и спецификации в архиве по или по этой: .

За огромную проделаную работу спасыба Косте, ака Meta_Kot


Источник: https://www.drive2.ru/l/276652/


Как сделать стабилизатор для светодиодов

Как сделать стабилизатор для светодиодов

Как сделать стабилизатор для светодиодов

Как сделать стабилизатор для светодиодов

Как сделать стабилизатор для светодиодов

Как сделать стабилизатор для светодиодов

Как сделать стабилизатор для светодиодов

Как сделать стабилизатор для светодиодов

Новое на сайте: