Ефективно управление на мощни светодиоди

В статията се прави общ преглед на характеристиките на светодиодите и избора на захранвания за тях. Описва типичен захранващ блок, се предоставя подробна информация за създаването на обратна връзка, проблемът за регулиране на яркостта на светодиодите и два начина за разрешаването му.

Характеристиките на ток напрежение от диоди, излъчващи светлина
Фигура 1 показва графика на напрежението за типичен LED базирани на InGaAlP.

Фиг. 1. характеристика ток напрежение на светодиода (действителната и модел резистор свързан последователно към източник на напрежение)

напред напрежението на целия LED р-п-преход е с отрицателен температурен коефициент на -3.0 -5.2 ... тУ / К. Това е една от причините за трудностите при паралелно свързване на светодиоди. LED загрява по-силна от всичко, тя е склонна да консумира повече енергия, което води до повече от неговите отопление.

Фиг. 2. Когато ток от 1 A ​​LED ефективност влошава

Фигура 2 показва относителна светлина изхода (светлинен поток) като функция на операционната ток. Очевидно е, че светлинната ефективност е практически линейно зависим от ток през диод и престава да расте само при по-високи стойности на тока. Това означава, че при ниски токове на диод настоящите резултати удвояването в удвояване на осветяване. Това правило е, обаче, не важи при високи токове, когато настоящото увеличение от 100% води до нарастване на излъчената светлина е само 80%. Това е важно, тъй като светодиодите се захранват от импулсни захранвания, които могат да се прилагат до голяма LED пулсиращото DC компонент. Всъщност, цената на електрозахранването до известна степен се определя от допустимата пулсиращ ток. Колкото по-голям от стойността на пулсираща компонент, толкова по-ниска ставка за доставки. Но за това ще трябва да платите намаляване на излъчената светлина.
Фигура 3 е представена за количествено намаляване на светлинна ефективност, когато се прилага триъгълна вълна пулсиращ ток в постоянен изходен ток.

Фиг. 3. пулсиращ ток разгражда няколко LED светлина

В повечето случаи, ток пулсации честота над 80 Hz, и пулсациите не се вижда с просто око. Освен това, окото реагира на светлина експоненциално и е в състояние да се прави разлика между яркостта на светлината намаляване на по-малко от 20%. По този начин, дори и със значителни пулсации ток на LED изразено намаление на яркост не се случи.
Пулсиращ ток влияе неблагоприятно на светлодиодите, увеличаване на разсейване на мощност, което може да доведе до нагряване на р-п-възел и значително съкращаване на LED живот. Фигура 4 показва пример представлява относителния светлинен изхода на LED като функция на време и температура, р-п-възел.

Фиг. 4. топлина р-п-преход период намалява LED живот

Ако времето на живот на светодиода отнеме време, през който на излъчената светлина е намалена с 20%, например при 63 ° С ресурс е 25 хиляди часа и при 74 ° С - .. само на 10 хиляди часа (т.е. намалени 2,5 пъти).
Фигура 5 показва количествено разсейване на мощност LED от големината на пулсираща VDC компонент. Тъй като честотата на пулсациите е висока в сравнение с топлинната времеконстанта на светодиода, голяма стойност на пулсиращ ток компонент (и голяма пикова стойност на дисперсия) не влияе на максималната температура на р-п-възел. Тази температура се определя от средната мощност. пулсации форма не влияе на мощността, разсейвана в "източник на електромагнитни полета" в модела на LED. Въпреки това, има и резистивен елемент от спад на напрежението и силата определя от това съпротивление, умножено по ефективната стойност на тока.
Освен това, Фигура 5 показва, че дори с голям магнитуд ток пулсиращ компонент не е съществено влияние върху стойността на разсейване на мощност.

Фиг. 5. пулсиращ ток увеличава разсейване на енергия в LED

Например, ток при 50% пулсиращ компонент увеличава загубата на мощност от не повече от 5%. При това ниво е значително надвишава, за осигуряване на приемлив температура р-п-възел и по този начин удължи живота на уреда, е необходимо да се намали съотношението на компонентите с постоянен ток. Съгласно правило, срока на експлоатация се удължава с половин полупроводника с намаляване на температурата р-п-преход за всеки 10 ° С Трябва обаче да се има предвид, че в по-голямата част от схема е необходимо да се ограничи импулсен ток в индуктор на съображения за проектиране. Повечето от дроселите се изчислява от съотношението на Ipeak. / Iout. на ниво, не по-дълъг от 20%.

типичните приложения
В много случаи, LED ток се контролира от баластни резистори и линейни регулатори. В тази статия, обаче, вниманието ни е насочено към импулсни контроли. Има три топология, които са намерили широко приложение в управлението на мощни светодиоди: Creep, което увеличава и комбинирани. Избор на топология, зависи от съотношението на входа и на изхода на напрежението.
Ако изходното напрежение е винаги по-малко от входа, е препоръчително да се използва понижаващ регулатор. Типичната схема е показан на фигура 6.

Фиг. 6. конвертор стъпка надолу за LED доставки

В тази схема, режима на работа на захранването управлявано уреждане на време средно напрежение в индуктор L1 изходящия филтър. Когато БНТ на превключвател (в TPS5430 чип) е отворена, тя доставя на входното напрежение на L1 индуктор и ток генерира в него. Затягащ диод D2 позволява ток при личен ключ. Choke изглажда ток когато токът през светодиода. Контролът се извършва чрез контролиране на LED (спад напрежение в резистори R1, R3) ток и сравняване с опорно напрежение генерира в чипа. Ако токът е твърде малък, а след това работният цикъл се увеличава и средната напрежението се увеличава - на сегашните увеличава съответно. В тази схема, за да се подобри ефективността, има и капацитет, тъй като спад на напрежението на захранването, ограничаващ диод и резистор измерване е много малък.
Ако изходното напрежение е винаги по-висока от входа, конвертора тласък се използва, както е показано на фигура 7.

Фиг. 7. конвертор тласък за LED доставки

Тази схема също има вграден електрически ключ. ток, който протича през дросела към "земя" в публичния ключ. Ако ключът е затворен, напрежението в Терминал 1 чип U1 се увеличава, докато стигнете до диод D1. След това газта дава акумулирана енергия към изходния кондензатор C3 и линията на светодиоди. В повечето вериги кондензатор C3 се използва за изглаждане на LED ток, и в отсъствието на LED ток е прекъснат. Това означава, че настоящите промени от нула до стойност на тока на газ, което води до повишаване на нагряване на LED (т.е. - скъсят живота) и намаляването на яркостта. Както и в предишния пример, LED ток се измерва с помощта на резистор, и съотношението на мито се контролира в съответствие с настоящия. Трябва да се отбележи, че като средство за подобряване на топология има сериозен недостатък: липсата на защита от късо съединение, което може да предизвика прекалено голям ток през индуктор и диод, провала на изходното съединение или рязък спад на входното напрежение.
Ако входното напрежение варира в широки граници и може да бъде по-горе и по-долу необходимата мощност за светодиоди, е необходимо да се прилага комбинирана надолу повишаване топология (вж. Фиг. 8).

Фиг. 8. Down - тласък конвертор с LED текущата стабилизация

Тази схема е същата като на подобрител, че в отворено силата превключва ток през увеличава задавят. Когато индуктор ток частен ключ се предава на изхода кондензатор и светодиодите. Но тук изходното напрежение е положително и отрицателно. Също така имайте предвид, че в тази схема, проблема с късо съединение е решен. Защита от късо съединение се осигурява чрез отваряне Q1 на ключа на захранването.
Друга интересна особеност на тази схема е, че дори и да не е необходимо да се премине на потенциала на веригата за измерване на отрицателното изходното напрежение. В това изпълнение, "почва" контролиране на интегрална схема е свързан към отрицателен изход, така че напрежението на измерване резистор R100 се измерва директно. Въпреки че тази схема показва само един LED могат да бъдат свързани последователно свързване на няколко светодиоди. Напрежението се ограничава до най-високо оценени контрол на напрежението интегралната схема: сумата на входното и изходното напрежение не може да надвишава този лимит.

Шунтиране на измерване верига
Фигура 9 показва три възможни конфигурации: прост филтър само един индуктор (а); типични източници на захранване филтър (б); и подобрена схема папка-PA (B).

Фиг. 9. Варианти на изходния филтър

За да разберете разликите в контролните характеристики за всяка една от опциите, прост модел е построена през P-Спайс. Електрически прекъсвач FET и диод моделира като управляван с напрежение източник на едн с печалба от 10, и светодиодите моделирани като 3 ома съпротивления, свързани в серия с източник на напрежение от 6 V. Между LED и "почва" се прибавя 1 ома резистор, който служи за измерване ампераж. Резултатите от симулацията са представени на фигура 10.

Фиг. 10. Графики усилване и фаза филтри

В случай, че (а) съответства на реакцията на първа система за стабилен по дефиниция. Loop DC печалба се изчислява по формулата управляван с напрежение източник на електромагнитни полета, разделител е построен на съпротивлението на светодиода и резистор за измерване на ток. Заключения верига направена от индуктор и устойчивост. Компенсаторът е изградена в права тип верига с втори усилвател. Верига (б) има втори отговор за поради добавянето на изходния кондензатор. Този кондензатор може да бъде необходимо, ако неприемливо висока стойност на пулсиращ компонент на LED ток, или поради електромагнитни смущения или други причини. Loop DC печалба е същият, както в схемата за предварително duschey. Въпреки това, има двойка от сложни полюси с честота, определена от изхода индуктор и кондензатор.
Пълен Филтър фазово изместване е 180 °. Това може да доведе до нестабилност на системата, ако не се обърне внимание на дизайна на изравнителната веригата. В компенсиране веригата - е същият, както в случая на мощност източник на напрежение за стандартен режим, който изисква трета усилвател тип. В сравнение със схемата на (а), се добавят две допълнителни компоненти и изход кондензатор. Схема (в) се поставят връзка изход кондензатор се променя за да се осигури по-проста схема компенсация. В пулсиращ компонент на напрежение в светодиодите е същата като на схемата (б), обаче, пулсиращ ток, преминаващ през резистор R105 на дросел за измерване на ток. Това трябва да бъде взето под внимание при изчисляването на разсейвана мощност. Функцията, описваща тази верига има една двойка полюси и нула, така че обезщетението на веригата е почти толкова просто, колкото веригата (а). Повишаване на DC верига за това е същото като в първите две вериги. Нулева функция се появява поради наличието на кондензатор и сериен светодиоди съпротива. Тук има два полюса, първият от които се определя от кондензатор и резистор за измерване на ток. Вторият стълб се определя от резистор за измерване на ток и индуктор. Температура отговор на тази схема е същият, както в схема (а).

контрол на яркостта
Често е необходимо да регулирате яркостта на светодиода, например за контрол на яркостта на дисплея или изграждане на осветление. Има два начина да направите това. Можете да контролирате LED ток, или бързо да включвате и изключвате него. тока контрол - най-ефективният начин, тъй като светлинна ефективност не е напълно линейна функция на текущата сила. Освен това, когато текущата стойност по-ниска от номинала, съществува тенденция да се смени цвета на емисиите от светодиода. Ние не трябва да забравяме, че възприемането на яркостта на човешкото око експоненциално, така че намаляването на яркостта може да изисква значителен процент от текущите промени. Това има голямо влияние върху дизайна на веригата. Поради толеранса на параметрите на схема 3% грешка -та регулиране при пълно текущата стойност може да доведе до грешка от 30% или повече при 10% натоварване.
Контролът на яркост се дължи на широчинно-импулсна модулация (PWM) DC - по-подробен метод, въпреки че възниква проблемът изпълнение устройство. За светлинни източници и дисплеи PWM честота трябва да надвишава 100 Hz, за човешкото око не забелязва трептене. ширината на импулси от 10% ширина е в диапазона от милисекунда и изисква текущата източник честотния диапазон над 10 кХц. Това изискване се постига лесно чрез проста схема, показана на Фигура 9а и 9Ь.
Фигура 11 показва етап долар мощност за PWM затъмняване.

Фиг. 11. ключов Q1 се използва за PWM LED ток

В този пример светодиод просто включен във веригата и изключен от него. По този начин, контролната верига винаги е активен и осигурява изключително бързо преходно отговор (вж. Фиг. 12).

Фиг. 12. Метод PWM осигурява скорости под-микросекунда превключване светодиоди

заключение
Тъй като използването на светодиоди става все по-често, има много въпроси, свързани с управлението на захранването. Светодиодите се използват все повече в автомобилната индустрия, където безопасността и сигурността е много важна. На борда мрежа превозно средство е много враждебна среда от гледна точка на качеството на енергията. Ето защо, защита трябва да бъдат проектирани така, че да се поддържа работа на състезания напрежение 60 V, които са срещнали при включване на товар.
Използването на светодиоди за осветителни сгради също поставя предизвикателства пред развиващите се вериги, като източници на светлина, често действат независимо, изискващи корекция на фактора на мощността и да се предостави на тока и контрола на яркост. В допълнение, светодиоди са част от проекция и телевизионна техника, където разработчиците добавят към проблемите за осигуряване на бързо време за реакция, прецизен контрол на тока и за включване / изключване контрол.