Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 22 января
 
 

Это интересно!

Ранее

Сверхъяркие светодиоды CREE/COTCO

В материале приводится краткий обзор типов светодиодов, выпускаемых азиатским подразделением CREE.

НОВЫЙ БРЭНД НА РЫНКЕ МОЩНЫХ СВЕТОДИОДОВ

В статье приводится краткий обзор продукции фирмы High Power Lighting (Тайвань), занимающейся разработкой и производством только мощных светодиодов.

НОВЫЙ СВЕТОДИОДНЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА ACRICHE ФИРМЫ SEOUL SEMICONDUCTOR

В настоящее время светодиодные источники света получают все более широкое распространение в общем и декоративном освещении. Однако их применение затрудняет необходимость использования специализированных источников питания. Для устранения этого препятствия фирма Seoul Semiconductor разработала линейку мощных источников света, работающих непосредственно от сети переменного тока.

 

4 апреля

Эффективное управление питанием светодиодов

В статье представлен обзор характеристик светодиодов и варианты выбора источников питания для них. Описаны типовые схемы источников питания, даны подробные сведения по созданию контура обратной связи, рассмотрена проблема регулирования яркости светодиодов и приведены два способа ее решения.



Введение

По мере того как стоимость производства светодиодов снижается, они все шире используются в различных целях — от портативных устройств до автомобилей и освещения зданий. Благодаря высокой надежности, эффективности и малому времени реакции, светодиоды стали очень популярными источниками света. Стоит отметить, что, несмотря на низкую стоимость ламп накаливания, необходимость частой замены делает их неудобными и дорогими в эксплуатации. Хороший пример — лампы в уличных фонарях. Чтобы заменить перегоревшую лампу, требуется бригада рабочих и автомобиль с подъемником. Следовательно, с точки зрения рентабельности светодиодные источники света здесь более предпочтительны.
Лампы накаливания излучают свет в широком диапазоне длин волн, но часто применяются там, где требуется лишь зеленый, красный и желтый свет — например в светофорах. При этом фильтры, используемые с лампами накаливания, поглощают 60% световой энергии, в то время как светодиоды изначально дают свет требуемого цвета. Кроме того, светодиоды начинают излучать свет сразу после подачи питания, тогда как время реакции лампы накаливания — примерно 200 мс. Именно по­этому в автомобильной промышленности светодиоды применяются для фонарей стоп-сигналов. Кроме этого, светодиоды используются в качестве источников света для видеопроекторов DLP, где механический узел заменяется линейкой светодиодов, которые включаются и выключаются с большой скоростью.

 

Вольт-амперные характеристики светодиодов

На рисунке 1 показан график прямого напряжения для типичного светодиода на основе InGaAlP.

 

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика светодиода (реальная и модель в виде резистора, подключенного последовательно к источнику напряжения)

 

Прямое падение напряжения на p-n-переходе светодиода имеет отрицательный температурный коэффициент –3,0…–5,2 мВ/K. Это одна из причин затруднений при параллельном включении светодиодов. Светодиод, нагретый сильнее всех, стремится потреблять больше тока, что приводит к еще большему его разогреву.

 

Рис. 2. При токе более 1 А эффективность светодиода ухудшается


На рисунке 2 показана относительная световая отдача (световой поток) как функция рабочего тока. Очевидно, что световая отдача практически линейно зависит от тока через диод и перестает расти только при более высоких значениях тока. Это значит, что при малых токах удвоение тока диода приводит к удвоению светоотдачи. Данное правило не является, однако, справедливым при больших токах, когда увеличение тока на 100% приводит к повышению светоотдачи лишь на 80%. Это важно, поскольку светодиоды работают от импульсных источников питания, которые могут подавать на светодиод значительную пульсирующую компоненту постоянного тока. Фактически стоимость источника питания до некоторой степени определяется допустимым пульсирующим током. Чем больше величина пульсирующей компоненты, тем ниже стоимость источника питания. Но за это приходится расплачиваться снижением светоотдачи.
На рисунке 3 в количественной форме представлено снижение световой отдачи при наложении треугольных импульсов пульсирующего тока на постоянный выходной ток.

 

Рис. 3. Пульсирующий ток несколько ухудшает светоотдачу светодиода

 

В большинстве случаев частота пульсаций тока превышает 80 Гц, и пульсации не видны глазу. Более того, глаз реагирует на свет по экспоненциальному закону и не в состоянии различать снижение яркости света, составляющее менее 20%. Таким образом, даже при значительных пульсациях тока на светодиоде заметного снижения яркости света не происходит.
Пульсирующий ток неблагоприятно влияет на светодиоды, повышая рассеиваемую мощность, что может привести к нагреву p-n-перехода и значительно сократить срок службы светодиода. На рисунке 4 приведен пример, представляющий относительную световую отдачу светодиода как функцию времени и температуры p-n-перехода.

 

Рис. 4. Высокая температура p-n-перехода уменьшает срок службы светодиода

 

Если за срок службы светодиода принять время, за которое светоотдача снижается на 20%, то, например, при 63°С ресурс составляет 25 тыс. часов, а при 74°С — всего лишь 10 тыс. часов (т.е. сокращается в 2,5 раза).
На рисунке 5 в количественной форме показана зависимость рассеиваемой светодиодом мощности от величины пульсирующей компоненты постоянного тока. Поскольку частота пульсаций высока по сравнению с тепловой постоянной времени светодиода, то большое значение пульсирующей компоненты тока (и большая пиковая величина рассеивания) не влияет на максимальную температуру p-n-перехода. Эта температура определяется средней мощностью. Форма пульсаций не влияет на мощность, рассеиваемую на «источнике ЭДС» в модели светодиода. Однако существует также резистивная составляющая падения напряжения, и мощность определяется этим сопротивлением, умноженным на среднеквадратичное значение силы тока.
Кроме того, на рисунке 5 показано, что даже ток с большой величиной пульсирующей компоненты не оказывает существенного влияния на величину рассеиваемой мощности.

 

Рис. 5. Пульсирующий ток повышает рассеивание мощности в светодиоде

 

Например, ток с 50%-ной пульсирующей компонентой увеличивает потери мощности не более чем на 5%. При значительном превышении этого уровня, чтобы обеспечить приемлемую температуру p-n-перехода и, таким образом, продлить срок службы прибора, необходимо сокращать долю компоненты с постоянным током. Согласно эмпирическому правилу, срок службы полупроводника продлевается вдвое при понижении температуры p-n-перехода на каждые 10°С. Следует, правда, учитывать, что в большинстве схемных решений приходится ограничивать ток импульса в дросселе из конструктивных соображений. Большинство дросселей рассчитано на отношение Iпик./Iвых. на уровне, не превышающем 20%.

 

Типовые применения

Во многих случаях управление током светодиодов осуществляется балластными резисторами или линейными регуляторами. В этой статье, однако, наше внимание направлено на импульсные регуляторы. Существуют три топологии, нашедшие широкое применение в управлении электропитанием светодиодов: понижающая, повышающая и комбинированная. Выбор топологии зависит от соотношения входного и выходного напряжения.
Если выходное напряжение всегда меньше входного, то рекомендуется использование понижающего регулятора. Типовая схема представлена на рисунке 6.

 

Рис. 6. Понижающий  преобразователь для питания светодиода

 

В этой схеме продолжительность включения силового ключа управляется временем установления среднего напряжения на дросселе выходного фильтра L1. Когда ключ на полевых транзисторах (в микросхеме TPS5430) открыт, он подает входное напряжение на дроссель L1 и создает в нем ток. Ограничительный диод D2 обеспечивает ток при закрытом ключе. Дроссель сглаживает этот ток при прохождении тока через светодиоды. Регулирование осуществляется за счет контроля тока светодиода (падения напряжения на резисторах R1, R3) и сравнения c эталонным напряжением, генерируемом в микросхеме. Если ток слишком мал, то продолжительность включения возрастает и среднее напряжение увеличивается — соответственно увеличивается ток. В этой схеме для повышения эффективности имеется также емкость, поскольку падение напряжения на силовом переключателе, ограничительном диоде и измерительном резисторе весьма невелико.
Если выходное напряжение всегда превышает входное, то используют повышающий преобразователь, как показано на рисунке 7.

 

Рис. 7. Повышающий преобразователь для питания светодиода

 

Эта схема также имеет встроенный силовой ключ. При открытом ключе ток течет через дроссель на «землю». Если ключ закрыт, то напряжение на выводе 1 микросхемы U1 повышается, пока не откроется диод D1. После этого дроссель отдает запасенную энергию в выходной конденсатор C3 и линейку светодиодов. В большинстве схем конденсатор C3 используется для сглаживания тока светодиодов, и при его отсутствии ток светодиодов будет прерывистым. Это значит, что ток изменяется от нуля до величины тока дросселя, что приводит к повышенному нагреву светодиода (то есть — к уменьшению срока службы) и снижению яркости. Как и в предыдущем примере, ток светодиода измеряется при помощи резистора, а продолжительность включения управляется в соответствии с этим током. Следует отметить, что повышающая топология имеет серьезный недостаток: отсутствие защиты от короткого замыкания, которое может привести к слишком большому току через дроссель и диод, выходу схемы из строя или резкому падению входного напряжения.
Если входное напряжение изменяется в широких пределах и может быть и выше, и ниже требуемого для питания светодиодов, необходимо применять комбинированную понижающее-повышающую топологию (см. рис. 8).

 

Рис. 8. Понижающее-повышающий преобразователь со стабилизацией тока светодиода

 

Эта схема совпадает с повышающей в том, что при открытом силовом ключе ток через дроссель нарастает. При закрытом ключе ток дросселя передается в выходной конденсатор и светодиоды. Но здесь выходное напряжение не положительное, а отрицательное. Также следует обратить внимание, что в этой схеме решена проблема короткого замыкания. Защита от короткого замыкания обеспечивается открыванием силового ключа Q1.
Другая интересная особенность этой схемы состоит в том, что даже при наличии отрицательного выходного напряжения нет необходимости сдвигать потенциал измерительной цепи. В этом варианте «земля» управляющей интегральной схемы подключена к отрицательному выходу, так что напряжение на измерительном резисторе R100 измеряется непосредственно. Хотя на данной схеме показан лишь один светодиод, можно подключить и последовательную цепочку из нескольких светодиодов. Напряжение ограничивается наибольшим номинальным напряжением управляющей интегральной схемы: сумма входного и выходного напряжения не может превышать этот предел.

Шунтирование измерительного контура

На рисунке 9 показаны три возможные конфигурации: простой фильтр только с индуктором (а); типичный для источников питания фильтр (б); а также усовершенствованная схема фильт­ра (в).

 

Рис. 9. Варианты выходного фильтра


Чтобы выяснить различия в характеристиках управления для каждого из вариантов, в P-Spice была построена простая модель. Силовой ключ на полевом транзисторе и диод моделировались как управляемый напряжением источник ЭДС с коэффициентом усиления 10, а светодиоды моделировались как резисторы сопротивлением 3 Ом, подключенные последовательно с источником напряжения 6 В. Между светодиодами и «землей» был добавлен резистор 1 Ом, служащий для измерения силы тока. Результаты моделирования представлены на рисунке 10.

 

Рис. 10. Графики усиления и фазы фильтров

 

В варианте (а) отклик соответствовал системе первого порядка, устойчивой по определению. Усиление по постоянному току задается управляемым напряжением источником ЭДС, делитель построен на сопротивлении светодиода и резисторе для измерения тока. Выводы цепи сделаны от дросселя и сопротивления. Компенсатор построен по прямой схеме с усилителем второго типа. Цепь (б) имеет отклик второго порядка за счет добавления выходного конденсатора. Этот конденсатор может оказаться необходимым, если неприемлема значительная величина пульсирующей компоненты тока светодиода, либо из-за электромагнитных помех или других соображений. Усиление по постоянному току такое же, как в преды­дущей схеме. Однако здесь существует пара комплексных полюсов при частоте, определяемой выходным дросселем и конденсатором.
Полный сдвиг фазы фильтра составляет 180°. Это может привести к неустойчивости системы, если не уделить внимания конструкции компенсирующей схемы. Компенсирующая схема — такая же, как в случае источника питания со стандартным режимом по напряжению, требующего усилителя третьего типа. По сравнению со схемой (а), при этом добавляются два дополнительных компонента и выходной конденсатор. На схеме (в) место подключения выходного конденсатора изменено, чтобы обеспечить более простую компенсацию цепи. Пульсирующая компонента напряжения на светодиодах такая же, как для схемы (б), однако пульсирующий ток дросселя течет через резистор для измерения тока R105. Это необходимо учитывать при вычислениях рассеивания мощности. Функция, описывающая эту схему, имеет один ноль и пару полюсов, так что компенсация данной схемы почти так же проста, как схемы (а). Усиление по постоянному току для данной схемы такое же, как и в двух первых схемах. Ноль функции появляется из-за наличия конденсатора и последовательного сопротивления светодиодов. Здесь присутствуют два полюса, первый из которых определяется конденсатором и резистором для измерения тока. Второй полюс определяется резистором для измерения тока и дросселем. Температурный отклик этой схемы такой же, как у схемы (а).

 

Регулирование яркости

Очень часто требуется регулировать яркость светодиодов, например для управления яркостью дисплея или освещения здания. Существуют два способа сделать это. Можно либо управлять током светодиода, либо быстро включать и выключать его. Управление силой тока — наименее эффективный способ, поскольку световая отдача не является полностью линейной функцией силы тока. Кроме того, при величине тока меньше номинальной существует тенденция к сдвигу цвета излучения светодиода. Не следует забывать о том, что восприятие яркости человеческим глазом экспоненциально, так что снижение яркости может потребовать существенного процентного изменения силы тока. Это оказывает большое влияние на проектирование схем. Из-за допусков на параметры схемы 3%-я погрешность регулирования при полной величине тока может обернуться погрешностью в 30% или более при 10%-ной нагрузке.
Управление яркостью за счет широтно-импульсной модуляции (ШИМ) тока — более точный способ, хотя при этом возникает проблема быстродействия устройства. Для источников света и дисплеев частота ШИМ должна превышать 100 Гц, чтобы человеческий глаз не замечал мерцания. Длительность импульса 10%-ной ширины находится в миллисекундном диапазоне и требует от источника тока частотной полосы более 10 кГц. Это требование легко обеспечивается простыми контурами, показанными на рисунке 9а и 9в.
На рисунке 11 показан понижающий силовой каскад с ШИМ для регулирования яркости.

 

Рис. 11. Ключ Q1 используется для ШИМ тока светодиода

 

В этом примере светодиод просто включается в цепь и отключается от нее. Таким образом, управляющий контур всегда активен и обеспечивает чрезвычайно быструю переходную характеристику (см. рис. 12).

 

Рис. 12. Метод ШИМ обеспечивает субмикросекундную скорость переключения светодиода

 

Заключение

По мере того как применение светодиодов становится все более распространенным, возникает множество вопросов управления их питанием. Светодиоды все шире применяются в автопроме, где надежности и безопасности придается очень большое значение. Бортовая сеть автомобиля представляет собой весьма неблагоприятную среду с точки зрения качества электропитания. Поэтому защита должна быть спроектирована таким образом, чтобы поддерживать работоспособность при скачках напряжения более 60 В, возникающих при коммутации нагрузок.
Применение светодиодов для освещения зданий также ставит сложные задачи разработки схем электропитания, поскольку такие источники света часто работают автономно, требуя коррекции коэффициента мощности и обеспечения возможности управления током и яркостью. Кроме того, светодиоды входят в состав проекционных и телевизионных устройств, где к задачам разработчиков добавляется обеспечение быстрого времени реакции, точного управления токами и контроля включения/выключения.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Роберт Коллман (Robert Kollman), компания Texas Instruments



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2020 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты