ДРАЙВЕР ДЛЯ МОЩНЫХ СВЕТОДИОДНЫХ МАТРИЦ  10 - 100W

    В последнее время мощные сверхяркие светодиоды в качестве источников света всё больше завоевывают рынок, вытесняя лампы накаливания и энергосберегающие люминесцентные лампы,  Тому есть несколько причин: малое энергопотребление, большой срок  службы, небольшие габариты, безопасность, удобство монтажа.  Мощные светодиоды выпускаются как с одиночным кристаллом, так и  с несколькими, расположенными на одной подложке.  Из-за нелинейной вольтамперной характеристики питание светодиодов осуществляется только стабильным током, величиной, определяемой паспортными данными прибора.  Устройство, обеспечивающее стабильный ток питания нагрузки, обычно называют драйвером.  Основные требования к драйверу:  высокий коэффициент полезного действия, надёжность, стабильность выходного тока независимо от напряжения питания.  Чаще всего схемотехника драйверов основана на использовании импульсных схем с использованием накопительного дросселя, ключевого элемента и схемы управления ключевым элементом, работающим на частоте 30 -100 кГц.  Если рабочее напряжение светодиода ниже напряжения источника питания, в схеме драйвера светодиод подключается последовательно с дросселем и ключевым элементом (наиболее распространённая ситуация), а если на светодиод требуется подать напряжение выше, чем у источника питания -  используется схема с накопительным дросселем, ток через который прерывается с высокой скоростью, что вызывает появление всплесков  напряжения в десятки раз выше питающего.  Повышенное напряжение  подаётся на светодиод, ток в цепи которого контролируется и используется для регулирования выходного напряжения.  Драйверы для питания низковольтных светодиодов от  источников напряжения  90 - 240 В широко распространены и доступны,  схемотехника достаточно освещена  в различных публикациях, в драйверах часто используются специализированные микросхемы, обеспечивающие минимальное количество внешних элементов.   В случае, когда несколько последовательно соединённых светодиодов или многокристальная светодиодная матрица подключается к  источнику с меньшим напряжением  схема  незначительно изменяется. На рисунке  показана схема такого драйвера для светодиодной матрицы с напряжением около 32В и рабочим током 350 мА.

    Основными элементами в схеме являются: накопительный дроссель L1, ключевой транзистор VT1  и микросхема задающего генератора DA1.  Микросхема обеспечивает импульсы с короткими фронтами для управления транзистором VT1, что позволяет  получить на стоке транзистора всплески напряжения до 50В  (зависит от параметров дросселя, транзистора и крутизны фронтов управления). Ток на сборку светодиодов поступает через токоизмерительный резистор R7.  При достижении тока 0,35А  напряжение на R7 составляет 0,7В, транзистор VT2 открывается и обеспечивает прерывание импульсов запуска. При снижении тока импульсы запуска транзистора VT1 появляются вновь, обеспечивая стабилизацию тока на нагрузке.  Резисторы R3, R4  служат для ограничения выходного напряжения на выходе при отключении нагрузки, предотвращая выход из строя электронных компонентов.

    В схеме можно использовать подходящие дроссели, намотанные проводом 0,3 ... 1,0 мм на стержневых ферритовых сердечниках (несколько хуже на ферритовых кольцах), имеющие индуктивность 40 - 200 мкГн.  Габариты дросселя определяются требуемой мощностью нагрузки.  В качестве транзистора VT1  можно использовать n-канальные полевые транзисторы, имеющие небольшую ёмкость затвор-исток,  ток стока  5 -30А и максимальное напряжение стока свыше 55В.  Конденсаторы С2, С4 должны иметь низкое внутренне сопротивление для обеспечения большого импульсного тока через дроссель L1,  желательно использовать танталовые конденсаторы для поверхностного монтажа.  Недостаток схемы - сильная зависимость работы схемы от параметров дросселя и полевого транзистора.

     У автора возникла необходимость переделать распространённые Китайские светодиодные прожекторы с напряжением питания 90 -240 В  на напряжение 12 В.  В прожекторах используются светодиодные матрицы 10 - 100 Вт с рабочим напряжением 32-34 В (матрица из 9 кристаллов).  Поиски готовых драйверов в торговой сети не привели к успеху - найденное подходило только для низковольтных светодиодов.  Из-за  большой требуемой мощности  и  условия некритичности к типу  используемых элементов  схема драйвера была несколько доработана.  В качестве задающего генератора использована распространённая микросхема MC33063AP1, имеющая более чувствительный вход обратной связи по току (1,2 В вместо 2,5 В у предыдущей схемы).  Для формирования запускающих импульсов с короткими фронтами  для  полевого транзистора используется микросхема- драйвер TLP250,  часто используемая  в различных преобразователях и источниках бесперебойного питания для управления мощными полевыми или IGBT транзисторами.  Использование этого драйвера позволило использовать практически любые  мощные полевые транзисторы, например IRF8010, что позволяет легко получить мощность на выходе 100 Вт и более. 

В качестве дросселя L1  использовались готовые катушки  диаметром 15 мм, намотанные на стержневых ферритовых сердечниках от старых мониторов проводом 0,8 - 1,2 мм.   Индуктивность катушек  должна составлять 40 - 160 мкГн. Чем выше индуктивность, тем ниже может быть рабочая частота задающего генератора.  При индуктивности 40 мкГн она должна быть около 100 кГц, а  160 мкГн - 30 кГц. Ток нагрузки определяется сопротивлением резистора R4.  На нём всегда падает 1,25 В.  Сопротивление этого резистора подсчитывается по формуле:  R (Ом) = 1,25 / I нагрузки (А).  Резисторы R2, R3  и стабилитрон VD2  служат для ограничения выходного напряжения на уровне 50В при отключении нагрузки, в противном случае напряжение на выходе может достигнуть 100 В и более.

   Схема имеет высокий КПД, достигающий 88%, поэтому нагрев элементов минимальный. Радиатор транзистору VT1 не требуется, достаточно охлаждения на печатную плату (см. снимок и чертёж печатной платы). 

Схема может использоваться для питания цепочек светодиодов или светодиодных матриц с рабочим напряжением 15 - 50 В.  При  иной нагрузке и выходном напряжении необходимо пересчитать  сопротивление R4, а также соотношение резисторов R2, R3.  Может потребуется замена диода VD1 на более мощный. 

   Правильно собранная схема начинает работать сразу.  Если нет уверенности в исправности элементов или правильности монтажа, вначале вместо светодиодов подключают  нагрузочный резистор с таким расчётом, чтобы при нормальном режиме ток через него и напряжение совпадали с рабочими параметрами светодиода.  В случае использования 10W светодиодных матриц  с рабочим напряжением 32В и током 0,35 А  резистор должен быть сопротивлением примерно 100 Ом и мощностью 10Вт.  Плату подключают к блоку питания через ограничительный резистор с сопротивлением 3 .. 5 Ом. Убедившись, что всё работает нормально и ток потребления не превышает расчётного, резистор отключают.

Источник http://kravitnik.narod.ru/other/leddr1.html