Как сделать стабилизаторы тока для светодиодов своими руками

Виды источников питания

Все источники питания можно разделить на два больших класса:

• импульсные;
• трансформаторные.

Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, базирующиеся на принципе действия. Трансформаторный источник питания с линейным регулятором напряжения распределяет энергию между нагрузкой и регулирующим элементом (как правило, мощным транзистором) и представляет собой делитель напряжения. Одним плечом служит регулирующий элемент, другим – нагрузка.

Рекомендуем: Виды блоков питания и их назначение

При уменьшении напряжения на нагрузке (например, из-за увеличения потребляемого тока) транзистор приоткрывается и поддерживает это напряжение постоянным. При увеличении напряжения на нагрузке процесс обратный – транзистор призакрывается. Так происходит процесс стабилизации.

Принцип действия линейного стабилизатора.

Минусы этой схемы:

• требуется, чтобы входное напряжение было заметно выше выходного;
• через регулирующий транзистор постоянно идет ток, равный току нагрузки — впустую рассеивается большая мощность;
• КПД даже теоретически не может превышать отношение Uвых/Uвх.

Плюсами являются:

• относительно простая и недорогая схема;
• выходное напряжение свободно от высокочастотных паразитных составляющих (помехи по питанию минимальны).

Импульсный источник питания действует по другому принципу. Здесь энергия распределяется во времени. У ключевых транзисторов всего два состояния – они либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Длительность открытого положения определяет средний ток через первичную обмотку трансформатора и усредненное напряжение на выходных конденсаторах фильтра (соответственно, и на нагрузке). Этим процессом удобно управлять методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), когда частота преобразования остается постоянной, а меняется лишь длина импульса.

В идеальном импульсном источнике стабилизированного напряжения у ключей в открытом положении нулевое сопротивление, падение напряжения отсутствует, а в закрытом – полностью отсутствует ток. Поэтому энергия на транзисторах не рассеивается. На практике не все так радужно. Идеальных транзисторов не существует, поэтому в открытом состоянии на них падает определенное напряжение (сопротивление не равно нулю), а в закрытом существует ток утечки (сопротивление не равно бесконечности).

Но основные потери, снижающие КПД, происходят по другой причине. Транзисторные ключи переходят из одного состояния в противоположное не мгновенно. На это нужно время, зависящее от быстродействия элемента. Во время перехода через транзистор идет сквозной ток, на нем падает напряжение – следовательно, выделяется мощность. Эти потери называются коммутационными, их величина зависит от частоты преобразования.

Реальный и идеальный ключ в импульсном источнике питания.

Но все равно, КПД такого источника выше, чем линейного. И это основной плюс такой схемы. Другое достоинство – меньшие габариты и вес источника питания. Это достигается за счет того, что преобразование осуществляется на достаточно высокой частоте – до нескольких десятков килогерц. Поэтому самый тяжелый и громоздкий элемент (силовой трансформатор) получается легким и компактным. Главным минусом является сложность схемы.

Обычно на ток до 2 А применяются линейные источники напряжения. Ближе к токам 3 А и выше достоинства импульсников начинают перевешивать.

Чем импульсные стабилизаторы лучше линейных? Ответ Компании Rohm

Приведен обзор модульных импульсных стабилизаторов компании Rohm, которые обладают высоким КПД и просты в применении. Кроме того, подробно рассматриваются и сравниваются основные характеристики импульсных и линейных стабилизаторов.

Современная аппаратура становится все легче и компактнее благодаря применению интегральных схем высокой степени интеграции, передовых схемотехнических решений, использованию более емких и легких аккумуляторных батарей

В портативном приборе важно правильно организовать питание и достичь не только высокого КПД, но и обеспечить требуемое время жизни батареи. Для продления срока ее службы нужно организовать низкое собственное энергопотребление прибора, а значит, используемых компонентов

Кроме того, желательно применять переход в ждущий режим

тех цепей, которые не используются в данный момент. Всем этим требованиям отвечают модульные импульсные стабилизаторы компании Rohm. Рассмотрим их параметры в сравнении с параметрами линейных аналоговых стабилизаторов.

Сравнение импульсных

и линейных стабилизаторов

Преимущества линейных стабилизаторов известны: это простота, низкий уровень шума на выходе и низкая цена. Недостатком их является низкий коэффициент полезного действия (КПД). Линейные стабилизаторы — только понижающие. Когда нужно высокое напряжение для питания дисплея или отрицательное напряжение для аналоговых цепей — без импульсных стабилизаторов не обойтись. Преимуществом импульсных стабилизаторов является высокий КПД, но в то же время импульсный характер работы является причиной генерации импульсных шумов, наличие которых не позволяет использовать импульсные стабилизаторы повсеместно.

В таблице 1 приведено сравнение основных параметров стабилизаторов с точки зрения их применения в портативной аппаратуре.

Как видно из таблицы, и линейные, и импульсные стабилизаторы имеют свои достоинства и недостатки. Обычно в одном устройстве применяются и линейные аналоговые, и импульсные стабилизаторы. Линейный стабилизатор преобразует напряжение батареи в напряжение для питания логических цепей, а один или несколько

импульсных стабилизаторов обеспечивают другие номиналы напряжений для питания аналоговых цепей или ЖК-дисплеев.

Для того чтобы уменьшить токи утечки батареи, в портативных приборах принято отключать неиспользуемые в настоящий момент цепи. В импульсных стаби-

RPM7136 — ИК-фотоприемник от ROHM

Инфракрасный фотоприемник для ПДУ японской фирмы ROHM RPM7136 нельзя отнести к новинке, скорее это «рабочая лошадка», продукт, проверенный временем. Основные достоинства продукции ROHM — это надежность японского производителя, оцененная многими производителями РЭА и очень привлекательная цена. Применение фотоприемника:

• Телевизоры

• Музыкальные центры

• Кондиционеры

• Бытовая электрорадиоаппаратура

Особенности RPM7136:

• Малый ток потребления (0,85 мА)

• Наличие внутреннего фильтра

• Высокое подавление пульсаций

• Высокая помехоустойчивость к солнечному свету Фотоприемник применяется в системах дистанционного управления бытового назначения. RPM7136 — это модуль, в функции которого входит прием и обработка ИК оптического сигнала, он обеспечивает прием, усиление, фильтрацию и демодуляцию. Несущая частота, с которой работает данный модуль, составляет 36,0 кГц. Модульный фотоприемник допускает непосредственное подключение к микроконтроллеру. Напряжение низкого логического уровня составляет ,5 В, а высокого — 4,5 В. Модуль может поставляться с пятью типами держателей.

Предыдущая статья «Микроконтроллеры MCF5223X для сетевых приложений»

Следующая статья >> «Чем импульсные стабилизаторы лучше линейных? Ответ Компании Rohm.Продолжение»

Преимущества и недостатки ИБП

Конечно, как и любое другое электронное устройство, подобный блок питания имеет как свои достоинства, так и недостатки. Конечно, т.к. этот БП является более высокотехнологичным прибором, положительных качеств в нем намного больше, чем отрицательных, но все же есть необходимость объективного рассмотрения, а потому умалчивать о минусах тоже не стоит. Но все же, для начала перечислим плюсы, а после будем разбирать их подробнее.

Основными и несомненными достоинствами импульсного блока питания являются:

• более легкий вес;
• высокий коэффициент полезного действия;
• низкая цена;
• широкий диапазон токов;
• присутствие защиты от различных факторов.

Ну а теперь остановимся на каждом из пунктов подробнее.

Преимущества

1. Малый вес и габариты достигаются за счет импульсной технологии, повышения частоты тока, а значит и уменьшения трансформаторных установок. В ИИП не требуется крупногабаритных радиаторов и обмоток. Также сокращена и емкость конденсаторов. К тому же схема выпрямления упрощается до элементарной — однополупериодной.
2. Естественно, что у трансформаторных блоков питания большая часть энергии уходит на прогрев, в результате чего падает КПД. У импульсных БП незначительная часть этой энергии теряется на каскадах силовых ключей. После уже все транзисторы стабильны, а потому коэффициент полезного действия у таких БП может достигать 97%.
3. Стоимость этих устройств снижается за счет расширения производства элементов для сборки подобной схемы. Они и непосредственно после появления на рынке стоили немного, а сейчас, когда ими насыщены все области продаж, их стоимость падает все ниже. Можно добавить, что и полупроводники возможно использовать менее мощные благодаря управляемым ключам.
4. Широкий диапазон достигается как раз благодаря импульсным технологиям. Допускается питание разной частоты и амплитуды, что не может не сказаться и на расширении областей их применения.
5. На основании того, что модули полупроводников достаточно малы, появляется возможность встраивания дополнительных блоков защиты (от короткого замыкания, перегрева, перегрузки и т.п.).

Недостатки

Если разговор зашел о плюсах, то не стоит оставлять без внимания и минусы, хотя их и ничтожно мало. Основным недочетом в работе импульсных блоков питания можно назвать высокочастотные помехи. Они естественны, т.к. само устройство работает именно на них. Как раз по этой причине используется различное шумоподавление, которое, впрочем, до конца проблему не решает.

А потому подобные ИБП не используются на некоторых высокоточных измерительных приборах.

Еще одним недостатком можно назвать некорректную работу на сверхнизких и сверхвысоких частотах — такие «стрессовые» токи могут либо вывести прибор из строя, либо на выходе он будет выдавать искаженное напряжение, не соответствующее заявленным техническим характеристикам.

Незаменимое устройство постоянного тока

Даже начинающий мастер знает, что такой агрегат работает по принципу двойного интегрирования. Абсолютно во всех моделях за этот процесс отвечают преобразователи. Универсальные двухканальные транзисторы предназначены для увеличения существующих динамических характеристик

Важно помнить, что для устранения тепловых потерь нужно использовать конденсаторы с большой ёмкостью

Сделать показатель выпрямления можно только благодаря точному расчёту необходимого значения. Как показывает практика, если при выходном напряжении постоянного тока получается 12 ампер, то предельное значение должно составлять 5 В. Устройство сможет стабильно поддерживать рабочую частоту на отметке 30 Гц. Относительно порогового напряжения — всё зависит от блокировки сигнала, который поступает от трансформатора. Но фронт импульсов не должен превышать 2 МКС.

Только качественное преобразование тока позволяет обеспечить слаженную работу главных транзисторов. В этой схеме допускается использование исключительно полупроводниковых диодов. Если резисторы балластные, то это чревато большими тепловыми потерями. Именно поэтому коэффициент рассевания существенно увеличивается. Мастер может увидеть, что амплитуда колебаний возросла, а процесс индуктивности не произошёл.

Базовая конфигурация

Главная задача стабилизатора — обеспечить постоянство выходного напряжения и подавление пульсаций. Конструкция стабилизатора основана на простейшей схеме, но каждый её элемент я выбирал так, чтобы он идеально выполнял свою функцию:

Для максимального подавления входных шумов сопротивление резистора R должно быть максимально, а в внутреннее сопротивление источника опорного напряжения Vref как можно ниже. Да и работать формирователь опорного напряжения будет лучше, если его питать от высокоомного источника. Таким требованиям отвечает источник стабильного тока (ГСТ).

Для высоковольтного стабилизатора я использовал ГСТ на двух транзисторах, что обеспечивает большую стабильность тока при колебаниях питающего напряжения.

Для низковольтных стабилизаторов можно использовать аналогичную схему или просто одиночный диод.

Для высоковольтных стабилизаторов я выбрал значение тока ГСТ около 5мА. Для низковольтных стабилизаторов можно выбрать значение поменьше.

Микросхеме TL431 для нормальной работы требуется минимум 2 мА.

Важное замечание: ГСТ на двух транзисторах может иногда возбуждаться, если использовать высокочастотные транзисторы. Поэтому я выбрал транзисторы MJ340/350 которые, как показывает мой опыт, работают стабильно

Стабилитроны довольно шумные и кроме того имеют плохой температурный коэффициент. Выходное напряжение при их использовании будет меняться в зависимости от температуры окружающей среды, а если в вашем усилителе активная вентиляция, то тем более. Кроме того, стабильность их внутреннего сопротивления тоже оставляет желать лучшего.

Вместо них я использовал TL431 в качестве источника опорного напряжения, так как их шумовые характеристики весьма достойны, они имеют низкое выходное сопротивление и довольно широкий диапазон выходных напряжений, которое устанавливается с помощью простого делителя.

Общее устройство и принцип работы стабилизаторов тока

Знание основных принципов работы стабилизаторов тока способствует наиболее эффективному использованию этих устройств. Электрические сети буквально насыщены различными помехами, негативно влияющими на работу бытовых приборов и электрооборудования. Для преодоления отрицательных воздействий используется схема простого стабилизатора напряжения и тока.

В каждом стабилизаторе имеется основной элемент – трансформатор, обеспечивающий работу всей системы. Самая простая схема включает в свой состав выпрямительный мост, соединенный с различными типами конденсаторов и резисторов. Их основными параметрами считаются индивидуальная емкость и предельное сопротивление. Сам стабилизатор тока работает по очень простой схеме. Когда ток поступает на трансформатор, его предельная частота изменяется. На входе она будет совпадать с частотой электрической сети и составит 50 Гц. После того как будут выполнены все преобразования тока, предельная частота на выходе снизится до 30 Гц. В схеме преобразования участвуют высоковольтные выпрямители, с помощью которых определяется полярность напряжения. Конденсаторы непосредственно участвуют в стабилизации тока, а резисторы снижают помехи.

Характеристика регулятора

По своему виду приспособления могут изготавливаться в портативном или стационарном исполнении. Устанавливаются они в любом положении: вертикальном, потолочном, горизонтальном.

К основным характеристикам устройств относят следующие параметры:

1. Плавность регулировки. Обозначает минимальный шаг, с которым происходит изменение величины разности потенциалов на выходе. Чем он плавнее, тем точнее можно выставить значение напряжения на выходе.
2. Рабочая мощность. Характеризуется значением силы тока, которое может пропускать через себя прибор продолжительное время без повреждения своих электронных связей.
3. Максимальная мощность. Пиковая величина, которую кратковременно выдерживает устройство с сохранением своей работоспособности.
4. Диапазон входного напряжения. Это значения входного сигнала, с которым устройство может работать.
5. Диапазон изменяемого сигнала на выходе устройства. Обозначает значения разности потенциалов, которое может обеспечить устройство на выходе.
6. Тип регулируемого сигнала. На вход устройства может подаваться как переменное, так и постоянное напряжение.
7. Условия эксплуатации. Обозначает условия, при которых характеристики регулятора не изменяются.
8. Способ управления. Выставление выходного уровня сигнала может осуществляться пользователем вручную или без его вмешательства.

Стабилизаторы напряжения для светодиодов. Зачем нужны для вашего авто?

Не так давно я писал статью – почему перегорают светодиоды, почитайте познавательно. Если напомнить причин всего две — это перегрев и высокое напряжение. Да и собственно они связаны между собой — чем выше «вольтаж», тем больше идет разогрев. Из этого следует — что если ограничить диоды по напряжению, то служить они гипотетически будут дольше. Вот именно для этого на различных китайских площадках продаются специальные платы – так называемые «стабилизаторы напряжения», которые могут увеличить срок службы таких ламп в разы …

Забегая вперед скажу, что такие модули могут быть ну очень компактными, размером буквально с пятирублевую монету. Так что можно разместить куда угодно, буквально рядом с габаритной лампой.

Сам я покупал эти стабилизаторы на АЛИЭКСПРЕССЕ, цена копейки (около 150 руб., за 5 штук), кому интересно брал здесь —ПЕРЕЙТИ, хотя бы просто зайдите и посмотрите.

Импульсный стабилизатор тока

Поскольку экономия энергии во многих приложениях является решающей, разработчики компонентов, схемотехники стараются снизить влияние этих недостатков, и, зачастую, преуспевают в этом.

Схемы импульсных преобразователей

Стабилизатор на базе импульсного преобразователя имеет устройство, регулирующее работу ключа, в зависимости от нагрузки. Стабилизатор напряжения регистрирует напряжение на нагрузке и изменяет работу ключа (схема «а»). Стабилизатор тока измеряет ток через нагрузку, например с помощью маленького измерительного сопротивления Ri (схема «б»), включенного последовательно с нагрузкой.

В современных ключевых преобразователях в качестве ключа обычно используется MOSFET транзистор.

Понижающий преобразователь

Рассмотренный выше вариант преобразователя называется понижающим, поскольку напряжение на нагрузке всегда ниже напряжения источника питания.

Поскольку в дросселе постоянно течёт однонаправленный ток, требования к выходному конденсатору могут быть снижены, дроссель с выходным конденсатором играют роль эффективного LC фильтра. В некоторых схемах стабилизаторов тока, например для светодиодов, выходной конденсатор может отсутствовать вообще. В западной литературе понижающий преобразователь называется Buck converter.

Повышающий преобразователь

Схема импульсного стабилизатора, приведённая ниже, также работает на основе дросселя, однако дроссель всегда подключен к выходу источника питания. Когда ключ разомкнут, питание поступает через дроссель и диод на нагрузку. Когда ключ замыкается, дроссель накапливает энергию, когда ключ размыкается, возникающее на его выводах ЭДС добавляется к ЭДС источника питания и напряжение на нагрузке возрастает.

В отличие от предыдущей схемы, выходной конденсатор заряжается прерывистым током, следовательно выходной конденсатор должен быть большим, и, возможно, понадобится дополнительный фильтр. В западной литературе повышающе-понижающий преобразователь называется Boost converter.

Инвертирующий преобразователь

Как и в предыдущей схеме, выходной конденсатор заряжается прерывистым током, следовательно выходной конденсатор должен быть большим, и, возможно, понадобится дополнительный фильтр. В западной литературе инвертирующий преобразователь называется Buck-Boost converter.

Применение импульсного конвертера в качестве стабилизатора тока

Большинство импульсных блоков питания выпускаются с стабилизацией выходного напряжения. Типичные схемы таких блоков питания, особенно мощных, кроме обратной связи по выходному напряжению, имеют схему контроля тока ключевого элемента, например резистор с малым сопротивлением. Такой контроль позволяет обеспечивать режим работы дросселя. Простейшие стабилизаторы тока используют этот элемент контроля для стабилизации выходного тока. Таким образом, стабилизатор тока оказывается даже проще стабилизатора напряжения.

Рассмотрим схему импульсного стабилизатора тока для светодиода на базе микросхемы NCL30100 от известного производителя электронных компонентов On Semiconductor:

Схема понижающего преобразователя работает в режиме неразрывного тока с внешним ключом. Схема выбрана из множества других, поскольку она показывает, насколько простой и эффективной может быть схема импульсного стабилизатора тока с внешним ключом. В приведённой схеме, управляющая микросхема IC1 управляет работой MOSFET ключа Q1. Поскольку преобразователь работает в режиме неразрывного тока, выходной конденсатор ставить необязательно. В многих схемах датчик тока устанавливается в цепи истока ключа, однако, это снижает скорость включения транзистора. В приведённой схеме датчик тока R4 установлен в цепи первичного питания, в результате схема получилась простой и эффективной. Ключ работает на частоте 700 кГц, что позволяет установить компактный дроссель. При выходной мощности 7 Ватт, входном напряжении 12 Вольт при работе на 700 мА (3 светодиода), эффективность устройства более 95%. Схема стабильно работает до 15 Ватт выходной мощности без применения дополнительных мер по отводу тепла.

Ещё более простая схема получается с использованием микросхем ключевых стабилизаторов с встроенным ключом. Например, схема ключевого стабилизатора тока светодиода на базе микросхемы CAV4201/CAT4201:

Источник

Как работает импульсный блок питания

Принцип работы импульсного блока питания в корне отличается от действия обычного, трансформаторного блока питания. Изначально напряжение в 220 В проходит через диодный мост, после чего прямой ток поступает в инвертор, т.е. преобразователь напряжения в токи высокой частоты. Это действие может выполняться либо посредством гальванического отделения питающей сети от входной цепи, либо без такового.

Если гальваническая развязка присутствует, то высокочастотный ток подвергается ей при помощи трансформатора. Причем, чем выше будет частота импульсов, тем эффективнее будет работать трансформатор.

Схемы включения каскадов силовых ключей

Само действие такого БП основывается на применении трех элементов, которые содержит схема импульсного блока. Они четко взаимодействуют между собой в процессе работы. Элементы эти следующие:

• контроллер широтно-импульсного модулятора;
• транзисторный блок, который может быть включены по одной из схем — мостовой, полумостовой или же по схеме со средней точкой;
• импульсный трансформатор, у которого имеется первичная и вторичная обмотки, смонтированные на магнитопроводе.

При условии отсутствия гальванической развязки высокочастотного трансформатора тока в схеме нет, а сигнал подается сразу на фильтры НЧ. По сути, все схемы импульсных источников питания идентичны.

Далее попробуем более детально разобрать, как работает каждый из этих трех элементов.

Контроллер широтно-импульсной модуляции

Наверное, не нужно объяснять, что контроллер — это управляющее чем-либо устройство. Если разбирать именно ШИМ в импульсном блоке, то тут закладывается задача создания токов с одной частотой, но с различной длительностью включения. Логической единицей выступает, естественно, сам импульс, ну а нулем — его отсутствие.

Импульсы обусловлены одинаковым периодом колебания, т.е. амплитуда их величин равна. А вот работой электронной схемы позволяет управлять именно отношение продолжительности к самому периоду.

Для того чтобы проще было понять изложенное, можно обратиться к схематическому изображению.

Импульсы, создаваемые ШИМ

Принимая во внимание, что частота тока в сети 220 В равна 50 Гц, можно себе представить, насколько сложна работа, выполняемая контроллером и модулятором ШИМ. Обычно на его выходе образуется ток, с частотой порядка 30-60 кГц. Вообще, широтно-импульсная модуляция в наше время применяется во многих устройствах

И самый яркий тому пример — инверторные сварочные аппараты, где как раз при помощи ШИМ удалось снизить габариты и массу устройства в десятки раз по сравнению с обычными трансформаторными агрегатами

Вообще, широтно-импульсная модуляция в наше время применяется во многих устройствах. И самый яркий тому пример — инверторные сварочные аппараты, где как раз при помощи ШИМ удалось снизить габариты и массу устройства в десятки раз по сравнению с обычными трансформаторными агрегатами.

Транзисторный блок, или каскад силовых ключей

Мощные полевые или IGBT-транзисторы образуют каскад, который также может управляться и менее мощными элементами либо интегральными драйверами. Собраны эти транзисторы могут быть в одну из трех схем: мостовую, полумостовую либо со средней точкой.

Вот, собственно, и все, что можно сказать о силовых ключах импульсного блока питания.

Импульсник, или блок без гальваники

Импульсник, т.е. высокочастотный трансформатор, может быть собран на основе ферритового или альсиферового кольца, на котором и размещены первичная и вторичная обмотки. Они могут выдавать высокочастотный ток с импульсом до 100 кГц. Их работу дополняют различные фильтрующие элементы и диоды.

Если же гальваническая развязка в подобном БП отсутствует, то сигнал напрямую будет поступать на низкочастотный фильтр без какой-либо трансформации. Наглядно это показано на схематическом изображении.

Импульсный блок питания без гальванической развязки