Jste zde

Signalizujeme, podsvětlujeme a svítíme s LED

Jan Robenek, 1. Červen 2009 - 7:37

Stále rostoucí počet zapojení s LED diodami bude vyžadovat účinné zajištění svých provozních podmínek, zejména konstantního zdroje proudu. Článek ukazuje několik možných řešení ve srovnání s tím nejjednodušším v podobě obyčejného předřadného odporu.

Tak třeba ON Semiconductor, který právě představuje novou řadu lineárních regulátorů, zajišťujících konstantní proud zátěží, zejména v podobě LED diod. Všech deset (06/2009) obvodů NSI45x pracuje s maximálním napětím 45 V. Proudové výstupy o velikosti 20 mA, 25 mA nebo také 30 mA, dle konkrétního typu součástky, bývají zajištěny s přesností 10 nebo 15 %.

Za všechny jsem pro ilustraci vybral jednoduché řešení v podobě NSI45020AT1G, Constant Current Regulator & LED Driver 45 V, 20 mA, 10%, zapouzdřené do SOD-123.

Jednoduché schéma zapojení s naznačenou možností volby různých velikostí proudu. Dioda D1 slouží pouze jako ochrana proti přepólování.

V ON se ujalo zkrácené pojmenování CCR neboli Constant Current Regulator (Creedence Clearwater Revival prominou), případně také SER, coby Simple, Economical and Robust (jednoduché, úsporné a robustní, někdy také výstižněji „blbuvzdorné“) součástky, navržené s prostým cílem – s minimálními náklady stabilizovat proud LED diodami. A aby zkratek nebylo málo, přidáme ještě jednu. Při stabilizaci proudu v širokém rozsahu napájecích napětí používají SER regulátory vlastní předpěťovou technologii SBT, Self-Biased Transistor. Výrobce dále myslel i na extrémní napěťové a teplotní podmínky, kterým bude obvod vystaven a proto jej v rámci ochrany připojených LED prozřetelně vyzbrojil záporným teplotním koeficientem.

VA charakteristiky, vpravo s vyznačenou teplotní závislostí

Řada SER kolem sebe nepotřebuje žádnou další součástku, snad jen kromě připojené LEDkové zátěže. Relativně vysoké napětí mezi „anodou a katodou“ navíc vhodně pokryje požadavky na nekompromisní prostředí automobilových, průmyslových nebo také komerčních aplikací. Provedení navíc odpovídá přísným požadavkům, definovaným v standardu AEC 101. Při odběru 3 000 ks zaplatíme za jeden obvod přibližně $0.1.

Dostupná provedení řady NSI45x

Pokud srovnáme tradiční rezistorové omezení proudu s výše popisovaným, stabilizovaným řešením v podobě CCR (Constant Current Regulator), dostaneme následující výsledky:

1) CCR poskytuje stálý jas v širokém rozsahu napájecích napětí a to s ještě větší účinností. Odporové řešení bude oproti tomu vykazovat změny a rozdíly.
2) CCR zajistí výrazně menší změny tekoucího proudu a tudíž i jasu včetně spotřebované energie.
3) Konstantní proud z CCR prodlužuje životnost LED. Velká napájecí napětí s neúměrně vysokými proudy v odporovém řešení zkracují dobu do první poruchy.
4) S rostoucím napětím se bude u CCR proud snižovat. S odporem dosáhneme při větším napětí i většího proudu.
5) Naroste-li teplota, CCR díky vlastní limitaci ochranným způsobem snižuje proud zátěží.
6) CCR nevyžaduje žádný vnější rezistor. V opačném případě může být vyžadováno hned několik různých velikostí odporu, pro odlišné vstupní podmínky.

A něco na okraj, spíše jen pro úplnost výčtu z dokumentace výrobce:

7) „Méně součástek znamená také menší zastavěnou plochu na DPS.“
8) „CCR se osazuje povrchovou montáží. V případě rezistorů, které nebudou pro povrchovou montáž, vrtáme díry.“

Ukázka jednoho z vývojových kitů

Máme tedy na výběr a bude už záležet jen na konkrétní aplikaci. Abychom ale byli upřímní, odpor stojí jen pár haléřů a mnohdy zcela postačí. Na druhé straně však toho zase tolik ve srovnání s CCR neumí. Názorně je celá situace znázorněna následujícími dvěma grafy pro CCR řešení a mnohdy nedotknutelnou „klasiku“ s velikostí třeba 375 ohmů. Pro konstantní teplotu tak můžeme vysledovat poměrně zásadní rozdíly v dodávaném proudu a tudíž i spotřebované energii. Proměnnou bude napájecí napětí.

Srovnání CCR a klasického odporu

V mnoha případech bude potřeba pohlídat tepelné ztráty CCR, případně je také vhodným způsobem upravit. Odvod tepla ovlivní použitý materiál plošného spoje, rozměry vodivých tras, typ zapouzdření apod. Jednu z možností snížení ztrát, případně také regulace jasu, představuje pulsně šířková modulace PWM (Pulse Width Modulation).

Průměrný stejnosměrný proud se určí jako Ireg x pracovní cyklus (%). Budeme-li např. uvažovat CCR s výstupním proudem 30 mA a 20 % pracovním cyklem, dostaneme při okolní teplotě + 25 °C průměrný proud LED diodou v zátěži 6.0 mA. Více informací o teplotní analýze pro CCR pak přináší aplikační poznámka výrobce.

Dalším účinným způsobem, jak rozsvítit zejména vysoce svítivé diody konstantním proudem, jsou různé měniče, speciálně vybavené a vyráběné pro tyto účely. V některých případech, stejně jako u trojnásobného, zvyšujícího a invertujícího měniče od Linear Technology, bývá už takový zdroj součástí poněkud univerzálnějšího obvodu.

V rámci ON Semiconductoru můžeme např. využít služeb spínaného regulátoru NCP3066, Up to 1.5 A Constant Current Switching Regulator for LEDs with ON/OFF Function, navrženého pro napájení vysoce svítivých LED ze zdroje konstantního proudu. Široký vstupní rozsah od 3.0 až do 40 V s přehledem pokryje rozsah běžně užívaných napětí pro osvětlovací zdroje. Možnost tlumení je vyřešena pomocí PWM.

Blokový diagram NCP3066

S minimálním počtem vnějších součástek lze NCP3066 také nakonfigurovat jako měnič typu Step−Down (Buck), Step−Up (Boost) nebo napěťový invertor (Voltage−Inverting).

Typické snižující (Buck) zapojení měniče pro napájení LED

Obrázky níže zachycují schéma zapojení jedné z verzí vývojového kitu pro snižující aplikace s vnějším spínacím tranzistorem a takto dosažitelné účinnosti.

Schéma zapojení „snižujícího“ vývojového kitu s NCP3066

Vývojový board a dosažitelné účinnosti pro odběry do 3 A

Bližší popis obvodu NCP3066 na stránkách výrobce je k dispozici zde.

Závěr:

Možností napájení LED diod existuje velké množství a článek ukázal pouze několik málo z nich. Zejména by měl vyniknout rozdíl mezi obyčejným předřadným rezistorem, který mnohdy postačí, ale ve spoustě dalších zapojení již obstát nemusí. Sám o sobě totiž neumí zajistit neměnnou velikost tekoucího proudu. A pak jsou zde z principu ještě jeho výkonové ztráty. Řešení které bude zbytečně topit většinou nesvědčí o energeticky smýšlejícím konstruktérovi. Snad jen v případě topné spirály, která se 100 % účinností účelně protopí vše, co do ní pustíme, nehledě na to, že bude hřát ještě hodně dlouho po svém vypnutí.