Högeffekts LED -drivrutiner: 12 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:47

Högeffekts-LED: belysningens framtid!

men … hur använder du dem? var får du dem? 1-watts och 3-watts Power LED-lampor är nu allmänt tillgängliga i intervallet $ 3 till $ 5, så jag har arbetat med ett gäng projekt den senaste tiden som använder dem. i processen störde det mig att de enda alternativen någon talar om för att köra lysdioderna är: (1) ett motstånd, eller (2) ett riktigt dyrt elektroniskt gizmo. nu när lysdioderna kostar $ 3, känns det fel att betala $ 20 för att enheten ska köra dem! Så jag gick tillbaka till min "Analog Circuits 101" -bok och tänkte på ett par enkla kretsar för att driva ström -LED: er som bara kostade $ 1 eller $ 2. Denna instruerbara kommer att ge dig ett slag för slag av alla de olika typerna av kretsar för att driva stora lysdioder, allt från motstånd till att byta förbrukningsmaterial, med några tips om dem alla, och naturligtvis kommer att ge mycket detaljer om min nya enkla effekt LED -drivkretsar och när/hur man använder dem (och jag har hittills 3 andra instruktioner som använder dessa kretsar). En del av denna information slutar vara ganska användbar för små lysdioder också här är mina andra power-LED-instruktioner, kolla in dem för andra anteckningar och idéer Den här artikeln kommer till dig av MonkeyLectric och Monkey Light-cykellampan.

Steg 1: Översikt / delar

Det finns flera vanliga metoder för att driva lysdioder. Varför allt tjafs? Det går ner till detta: 1) Lysdioder är mycket känsliga för spänningen som används för att driva dem (dvs strömmen ändras mycket med en liten spänningsförändring) 2) Den nödvändiga spänningen ändras lite när lysdioden sätts in varm eller kall luft, och också beroende på lysdiodens färg och tillverkningsdetaljer. så det finns flera vanliga sätt att lysdioder vanligtvis drivs, och jag kommer att gå igenom var och en i följande steg.

Delar Detta projekt visar flera kretsar för att driva ström -LED: er. för var och en av kretsarna har jag i det relevanta steget noterat de delar som behövs inklusive artikelnummer som du kan hitta på www.digikey.com. för att undvika mycket duplicerat innehåll diskuterar detta projekt endast specifika kretsar och deras fördelar och nackdelar. för att lära dig mer om monteringstekniker och ta reda på LED -artikelnummer och var du kan få dem (och andra ämnen), vänligen se ett av mina andra power LED -projekt.

Steg 2: Power LED Performance Data - Praktiskt referensschema

Nedan följer några grundläggande parametrar för Luxeon LED: er som du kommer att använda för många kretsar. Jag använder siffrorna från denna tabell i flera projekt, så här lägger jag dem alla på ett ställe som jag enkelt kan referera till. Luxon 1 och 3 utan ström (avstängningspunkt): vit/blå/grön/ cyan: 2,4V droppe (= "LED framspänning") röd/orange/gul: 1,8V dropLuxeon-1 med 300mA ström: vit/blå/grön/cyan: 3,3V droppe (= "LED framspänning") röd/orange /gul: 2,7V dropLuxeon-1 med 800mA ström (över specifikation): alla färger: 3,8V dropLuxeon-3 med 300mA ström: vit/blå/grön/cyan: 3,3V dropred/orange/gul: 2,5V dropLuxeon-3 med 800mA ström: vit/blå/grön/cyan: 3,8V droppad/orange/gul: 3,0V droppe (notera: mina tester håller inte med specifikationsbladet) Luxeon-3 med 1200mA ström: röd/orange/gul: 3,3V droppe (not: mina test håller inte med specifikationsbladet) Typiska värden för vanliga "små" lysdioder med 20mA är: röd/orange/gul: 2,0 V droppgrön/cyan/blå/lila/vit: 3,5V droppe

Steg 3: Direkt effekt

Varför inte bara ansluta batteriet direkt till lysdioden? Det verkar så enkelt! Vad är problemet? Kan jag någonsin göra det? Problemet är tillförlitlighet, konsistens och robusthet. Som nämnts är strömmen genom en lysdiod mycket känslig för små förändringar i spänningen över lysdioden, och även för omgivningstemperaturen för lysdioden, och även för tillverkningsvariationerna för lysdioden. Så när du bara ansluter din LED till ett batteri har du liten aning om hur mycket ström som går igenom det. "men så vad, det tändes, eller hur?". okej visst. beroende på batteri kan du ha alldeles för mycket ström (lysdioden blir mycket heta och brinner ut snabbt) eller för lite (lysdioden är svag). det andra problemet är att även om lysdioden är precis när du ansluter den första gången, om du tar den till en ny miljö som är varmare eller kallare, blir den antingen mörk eller för ljus och brinner ut, eftersom lysdioden är mycket temperatur känslig. tillverkningsvariationer kan också orsaka variation. Så kanske du läser allt det och du tänker: "så vad!". plöja i så fall framåt och anslut rätt till batteriet. för vissa applikationer kan det vara vägen att gå.- Sammanfattning: använd bara detta för hack, förvänta dig inte att det är tillförlitligt eller konsekvent och förvänta dig att bränna ut några lysdioder längs vägen.- Ett känt hack som sätter denna metod för enastående bra användning är LED Throwie. Obs:- om du använder ett batteri fungerar denna metod bäst med * små * batterier, eftersom ett litet batteri fungerar som om det har ett internt motstånd i det. detta är en av anledningarna till att LED Throwie fungerar så bra.-om du faktiskt vill göra detta med en power-LED istället för en 3-centers LED, välj din batterispänning så att lysdioden inte kommer att ha full effekt. detta är den andra anledningen till att LED Throwie fungerar så bra.

Steg 4: Den ödmjuka motståndet

Detta är den överlägset mest använda metoden för att driva lysdioder. Anslut bara ett motstånd i serie med dina LED: er:- det här är den enklaste metoden som fungerar pålitligt- har bara en del- kostar slantar (faktiskt mindre än ett öre i kvantitet):- inte särskilt effektiv. du måste byta ut bortkastad ström mot konsekvent och pålitlig LED -ljusstyrka. om du slösar mindre ström i motståndet får du mindre konsekvent LED-prestanda.- måste byta motstånd för att ändra LED-ljusstyrka- om du ändrar strömförsörjning eller batterispänning betydligt måste du byta motståndet igen.

Hur man gör det: Det finns många bra webbsidor där ute som redan förklarar denna metod. Vanligtvis vill du räkna ut:- vilket värde av motstånd som ska användas- hur du ansluter dina lysdioder i serie eller parallellt Det finns två bra "LED-räknare" jag hittade som låter dig bara ange specifikationerna för dina lysdioder och strömförsörjning, och de kommer att designa hela serien/parallellkretsen och motstånden åt dig! miniräknare, använd Power LED Data Handy Reference Chart för ström- och spänningsnumren som räknaren ber dig om. om du använder motståndsmetoden med power -LED: er vill du snabbt få många billiga effektmotstånd! här är några billiga från digikey: "Yageo SQP500JB" är en 5-watts motståndsserie.

Steg 5: $ häxa tillsynsmyndigheter

Växlingsregulatorer, även kallade "DC-to-DC", "buck" eller "boost" -omvandlare, är det fina sättet att driva en LED. de gör allt, men de är dyra. vad är det de "gör" exakt? omkopplingsregulatorn kan antingen trappa ner ("buck") eller step-up ("boost") strömförsörjningens ingångsspänning till den exakta spänning som behövs för att driva lysdioderna. till skillnad från ett motstånd övervakar den ständigt LED -strömmen och anpassar sig för att hålla den konstant. Det gör allt detta med 80-95% energieffektivitet, oavsett hur mycket nedtrappningen eller stegningen är. Fördelar:-konsekvent LED-prestanda för ett brett spektrum av lysdioder och strömförsörjning-hög effektivitet, vanligtvis 80-90% för boost-omvandlare och 90-95% för buck-omvandlare-kan driva lysdioder från både lägre eller högre spänningsförsörjning (steg upp eller ned)-vissa enheter kan justera LED-ljusstyrka. förpackade enheter avsedda för power-LED är tillgängliga och enkla to useCons:- komplex och dyr: vanligtvis cirka $ 20 för en förpackad enhet. - att göra egna kräver flera delar och elektroteknik.

En hylla som är speciellt utformad för power-led är Buckpuck från LED Dynamics. Jag använde en av dessa i mitt power-led-strålkastarprojekt och var ganska nöjd med det. dessa enheter är tillgängliga från de flesta LED -webbutiker.

Steg 6: De nya grejerna !! Konstant strömkälla #1

låt oss komma till de nya grejerna! Den första uppsättningen kretsar är alla små variationer på en superenkel konstantströmkälla. Fördelar:- konsekvent LED-prestanda med valfri strömförsörjning och lysdioder- kostar cirka $ 1- endast 4 enkla delar att ansluta- effektiviteten kan vara över 90% (med rätt LED och val av strömförsörjning)- klarar MASSOR av effekt, 20 ampere eller mer inga problem.- låg "bortfall"- ingångsspänningen kan vara så lite som 0,6 volt högre än utspänningen.- Superbrett driftsområde: mellan 3V och 60V ingång Cons:- måste byta ett motstånd för att ändra LED-ljusstyrkan- om det är dåligt konfigurerat kan det slösa lika mycket ström som motståndsmetoden- du måste bygga det själv (åh vänta, det borde vara ett "pro").- strömgränsen ändras lite med omgivningstemperaturen (kan också vara ett "pro"). Så för att sammanfatta det: den här kretsen fungerar lika bra som den nedåtriktade omkopplingsregulatorn, den enda skillnaden är att det inte garanterar 90% effektivitet. på plussidan kostar det bara $ 1.

Enklaste versionen först: "Low Cost Constant Current Source #1" Denna krets finns med i mitt enkla kraftledda ljusprojekt. Hur fungerar det?- Q2 (ett effekt-NFET) används som ett variabelt motstånd. Q2 startar aktiverat med R1.- Q1 (en liten NPN) används som en överströmsavkänningsomkopplare, och R3 är "avkänningsmotståndet" eller "inställningsmotståndet" som utlöser Q1 när för mycket ström flödar.- huvudströmflödet är genom lysdioderna, genom Q2 och genom R3. När för mycket ström flödar genom R3, kommer Q1 att börja slå på, vilket börjar stänga av Q2. Stänga av Q2 minskar strömmen genom lysdioderna och R3. Så vi har skapat en "feedback loop", som kontinuerligt övervakar LED -strömmen och håller den exakt vid börvärdet hela tiden. transistorer är smarta, va!- R1 har högt motstånd, så att när Q1 börjar slå på, överväger det lätt R1.- Resultatet är att Q2 fungerar som ett motstånd, och dess motstånd är alltid perfekt inställt för att hålla LED-strömmen korrekt. Eventuell överskottsförbränning bränns under andra kvartalet. Så för maximal effektivitet vill vi konfigurera vår LED -sträng så att den ligger nära nätspänningen. Det kommer att fungera bra om vi inte gör det här, vi slösar bara bort strömmen. detta är egentligen den enda nackdelen med denna krets jämfört med en nedkopplingsregulator! som ställer in strömmen! värdet på R3 bestämmer den inställda strömmen. Beräkningar:- LED-ström är ungefär lika med: 0,5 / R3- R3 effekt: effekten avgivet av motståndet är ungefär: 0,25 / R3. välj ett motståndsvärde minst 2x den beräknade effekten så att motståndet inte blir hett. så för 700mA LED -ström: R3 = 0,5 / 0,7 = 0,71 ohm. närmaste standardmotstånd är 0,75 ohm. R3 effekt = 0,25 / 0,71 = 0,35 watt. vi behöver minst ett motstånd på 1/2 watt. Delar som används: R1: litet (1/4 watt) cirka 100k-ohm motstånd (t.ex. Yageo CFR-25JB-serien) R3: stor (1 watt+) strömuppsättning motstånd. (ett bra 2-watts val är: Panasonic ERX-2SJR-serien) Q2: stort (TO-220-paket) N-kanal logiknivå FET (t.ex. Fairchild FQP50N06L) Q1: liten (TO-92-paket) NPN-transistor (till exempel: Fairchild 2N5088BU) Maximala gränser: den enda verkliga gränsen för den aktuella källkretsen påläggs av NFET Q2. Q2 begränsar kretsen på två sätt: 1) effektförlust. Q2 fungerar som ett variabelt motstånd, vilket minskar spänningen från strömförsörjningen för att matcha behovet av lysdioderna. så Q2 kommer att behöva en kylfläns om det finns en hög LED -ström eller om strömkällans spänning är mycket högre än LED -strängspänningen. (Q2 effekt = minskad volt * LED -ström). Q2 klarar bara 2/3 watt innan du behöver någon form av kylfläns. med en stor kylfläns kan denna krets hantera MYCKET ström och ström - förmodligen 50 watt och 20 ampere med denna exakta transistor, men du kan bara sätta flera transistorer parallellt för mer effekt. 2) spänning. "G" -nålen på Q2 är endast klassad för 20V, och med denna enklaste krets som kommer att begränsa ingångsspänningen till 20V (låt oss säga 18V för att vara säker). om du använder en annan NFET, se till att kontrollera värdet "Vgs". termisk känslighet: det aktuella börvärdet är något känsligt för temperatur. detta beror på att Q1 är utlösaren och Q1 är termiskt känslig. delen nuber jag specificerade ovan är en av de minst värmekänsliga NPN: erna jag kunde hitta. ändå, förvänta dig kanske en 30% minskning av nuvarande börvärde när du går från -20C till +100C. det kan vara en önskad effekt, det kan rädda dina Q2 eller lysdioder från överhettning.

Steg 7: Konstant strömkälla Tweaks: #2 och #3

dessa små ändringar på krets #1 adresserar spänningsbegränsningen för den första kretsen. vi måste hålla NFET -porten (G -stift) under 20V om vi vill använda en strömkälla som är större än 20V. det visar sig att vi också vill göra detta så att vi kan ansluta denna krets till en mikrokontroller eller dator.

i krets #2 lade jag till R2, medan i #3 ersatte jag R2 med Z1, en zenerdiod. krets #3 är den bästa, men jag inkluderade #2 eftersom det är ett snabbt hack om du inte har rätt värde för zenerdiod. vi vill ställa in G -pin -spänningen till cirka 5 volt - använd en 4,7 eller 5,1 volt zenerdiod (t.ex. det fungerar inte med de flesta mikrokontroller. om din ingångsspänning är under 10V, växla R1 för ett 22k-ohm motstånd, zenerdioden fungerar inte om det inte går 10uA genom den. efter denna ändring kommer kretsen att hantera 60V med delarna listade, och du kan enkelt hitta en högre spänning Q2 om det behövs.

Steg 8: Lite mikro gör hela skillnaden

Nu då? anslut till en mikrokontroller, PWM eller en dator! nu har du ett helt digitalt kontrollerat högeffekts-LED-ljus. mikrocontrollerns utgångsstiften är vanligtvis endast klassade för 5,5V, därför är zenerdioden viktig. if din mikrokontroller är 3,3V eller mindre, du måste använda krets #4 och ställa in mikrokontrollerns utgångsstift för att vara "öppen kollektor"-vilket gör att mikron kan dra ner stiftet, men låter R1-motståndet dra det upp till 5V som behövs för att helt sätta på Q2. om din mikro är 5V, då kan du använda den enklare kretsen #5, avlägsna Z1 och ställa in mikroens utgångsstift till normalt pull-up/pull-down-läge - 5V mikro kan slå på Q2 alldeles utmärkt. nu när du har en PWM eller mikro ansluten, hur gör du en digital ljuskontroll? för att ändra ljusets ljusstyrka, "PWM" du: du blinkar snabbt och snabbt (200 Hz är en bra hastighet) och ändrar förhållandet mellan tid till avstängning. detta kan göras med bara en några rader kod i en mikrokontroller. För att göra det med bara ett "555" -chip, prova den här kretsen. för att använda den kretsen bli av med M1, D3 och R2, och deras Q1 är vår Q2.

Steg 9: En annan dimningsmetod

ok, så kanske du inte vill använda en mikrokontroller? här är en annan enkel ändring av "krets #1"

det enklaste sättet att dimma lysdioderna är att ändra det aktuella börvärdet. så vi ändrar R3! visas nedan, jag lade till R4 och en switch parallellt med R3. så med omkopplaren öppen, är strömmen inställd med R3, med omkopplaren stängd, är strömmen inställd med det nya värdet på R3 parallellt med R4 - mer ström. så nu har vi "hög effekt" och "låg effekt" - perfekt för en ficklampa. kanske du skulle vilja sätta en variabel motståndsratt för R3? tyvärr gör de dem inte i ett så lågt motståndsvärde, så vi behöver något lite mer komplicerat för att göra det. (se krets #1 för hur man väljer komponentvärden)

Steg 10: Den analoga justerbara drivrutinen

Denna krets låter dig justera ljusstyrkan, men utan att använda en mikrokontroller. Det är helt analogt! det kostar lite mer - cirka $ 2 eller $ 2,50 totalt - jag hoppas att du inte har något emot. Den största skillnaden är att NFET ersätts med en spänningsregulator. spänningsregulatorn sänker ingångsspänningen ungefär som NFET gjorde, men den är utformad så att dess utspänning ställs in av förhållandet mellan två motstånd (R2+R4 och R1). Strömgränskretsen fungerar på samma sätt som tidigare, i det här fallet minskar det motståndet över R2, vilket sänker spänningsregulatorns utgång. Denna krets låter dig ställa in spänningen på lysdioderna till valfritt värde med en ratt eller reglage, men det begränsar också LED -strömmen som tidigare så du kan inte vrida ratten förbi säkerhetspunkten. Jag använde denna krets i mitt RGB -färgstyrda rum/spotbelysningsprojekt. se ovanstående projekt för artikelnummer och val av motståndsvärde. denna krets kan fungera med en ingångsspänning från 5V till 28V, och upp till 5 ampere ström (med en kylfläns på regulatorn)

Steg 11: En * ännu enklare * nuvarande källa

ok, så det visar sig att det finns ett ännu enklare sätt att skapa en konstantströmkälla. anledningen till att jag inte satte det först är att det har minst en betydande nackdel också.

Den här använder inte en NFET- eller NPN -transistor, den har bara en enda spänningsregulator. Jämfört med den tidigare "enkla strömkällan" med två transistorer har denna krets: - ännu färre delar. - mycket högre "bortfall" på 2,4V, vilket avsevärt minskar effektiviteten när du bara drar 1 LED. om du driver en sträng med 5 lysdioder, kanske inte så stor grej. - ingen förändring i nuvarande börvärde när temperaturen ändras - mindre strömkapacitet (5 ampere - fortfarande tillräckligt för många lysdioder)

hur man använder det: motståndet R3 ställer in strömmen. formeln är: LED -ström i ampere = 1,25 / R3 så för en ström på 550mA, ställ R3 till 2,2 ohm du behöver vanligtvis ett effektmotstånd, R3 effekt i watt = 1,56 / R3 denna krets har också nackdelen att den enda sätt att använda den med en mikrokontroller eller PWM är att slå på och av hela grejen med en power FET. och det enda sättet att ändra LED -ljusstyrkan är att ändra R3, så se den tidigare schemat för "krets #5" som visar att man lägger till en låg/hög strömbrytare. regulator pinout: ADJ = pin 1 OUT = pin 2 IN = stift 3 delar: regulator: antingen LD1585CV eller LM1084IT-ADJ kondensator: 10u till 100u kondensator, 6,3 volt eller högre (t.ex. Panasonic ECA-1VHG470) motstånd: ett minimum på 2 watt motstånd (t.ex. Panasonic ERX-2J-serien) du kan bygga detta med i stort sett vilken linjär spänningsregulator som helst, de två listade har en bra allmän prestanda och pris. den klassiska "LM317" är billig, men avhoppet är ännu högre - totalt 3,5 volt i detta läge. det finns nu många ytmonterade regulatorer med ultralåga avhopp för låg strömanvändning, om du behöver driva 1 LED från ett batteri kan dessa vara värda att titta på.

Steg 12: Haha! Det finns ett ännu enklare sätt

Jag skäms för att säga att jag inte själv tänkte på den här metoden, jag lärde mig det när jag demonterade en ficklampa som hade en hög ljusstyrka LED inuti den.

-------------- Sätt ett PTC-motstånd (aka en "PTC-återställbar säkring") i serie med din LED. Wow.blir inte lättare än så. -------------- ok. Även om den är enkel, har denna metod vissa nackdelar: - Din drivspänning kan bara vara något högre än lysdiodens "på" spänning. Detta beror på att PTC -säkringar inte är utformade för att bli av med mycket värme så du måste hålla den tappade spänningen över PTC ganska låg. du kan limma din ptc på en metallplatta för att hjälpa till lite. - Du kommer inte att kunna driva din LED med maximal effekt. PTC -säkringar har inte en mycket exakt "tripp" -ström. Vanligtvis varierar de med en faktor 2 från den utvärderade utgångspunkten. Så om du har en lysdiod som behöver 500mA och du får en PTC -klassad till 500mA kommer du att hamna med allt från 500mA till 1000mA - inte säkert för lysdioden. Det enda säkra valet av PTC är lite underskattat. Få 250mA PTC, då är ditt värsta fall 500mA som lysdioden kan hantera. ----------------- Exempel: För en enda lysdiod märkt cirka 3,4 V och 500 mA. Anslut i serie med en PTC -klassad cirka 250 mA. Drivspänningen ska vara cirka 4,0V.