Светодиодный драйвер повышенной точности на микросхеме LM3406HV

Немного теории

Для питания каждого конкретного светодиода или светодиодной матрицы требуется источник, выдающий силу тока, определённую для данного типа прибора. При этом падение напряжения на излучающем элементе мало зависит от этого протекающего тока, и при его изменении остаётся практически на одном уровне. Другими словами питание светодиодов производится именно током, а не напряжением:

Происходит это потому, что светодиод является полупроводниковым прибором и имеет нелинейную вольт-амперную характеристику. При подаче на него питания от источника напряжения, а не тока, светодиод легко повреждается и выходит из строя:

Поэтому появляется необходимость ограничивать силу тока, протекающего через излучающий элемент. Так же при длительном протекании тока, превышающим эксплуатационное значение для конкретного светодиода, сокращается срок службы последнего и происходит деградация кристалла полупроводника. Более подробную информацию про светодиоды и их применение можете посмотреть в статье по ссылке: http://cxem.net/beginner/beginner54.php

Поэтому весьма важно поддерживать стабильность протекающего тока (не напряжения) и не превышать его установленного значения. Регулировку яркости лучше всего осуществлять путём применения диммирования, изменяя скважность импульсов тока и время включённого состояния. Можно так же использовать линейную регулировку величины тока, но при такой регулировке изменяются параметры излучения и светового потока (цветовая температура и индекс цветопередачи), что плохо отражается, например на процессе видеосъёмки, если для неё используется такое освещение. Подводя итог можно сделать вывод, что для нормального питания и обеспечения гарантированного срока службы светодиодов или светодиодных матриц необходимо:

• не превышать и поддерживать протекающий номинальный ток для конкретного типа излучающего элемента;
• регулировку яркости производить импульсным прерыванием протекающего тока, а не уменьшением его величины;
• обеспечивать стабильность при изменении питающего напряжения и температуры в заданных пределах.

Именно для этого и служат специальные схемы питания и стабилизации, называемые светодиодными драйверами (LED-Driver). Один из вариантов такого устройства Мы и рассмотрим в данной статье. 

Самым простым способом ограничения тока через светодиод является включение сопротивления определённой величины последовательно с ним, и во время работы, увеличивая данное сопротивление, уменьшать яркость излучения, если это необходимо. Но такой способ имеет недостатки (выделение тепла на ограничительном сопротивлении и потеря энергии на это нагревание) и не может применяться для мощных источников света. Кроме этого такой способ просто ограничивает максимальный протекающий ток и не обеспечивает его стабильность:

Можно усложнить устройство, собрав линейный стабилизатор тока на транзисторе, но всё равно сохранится бесполезная потеря энергии на ограничительном элементе, и как следствие низкий коэффициент полезного действия, что ведёт за собой увеличение габаритов устройства и неприемлемо при автономном питании от элементов или батареи.

Существуют простые схемы импульсных преобразователей повышающего или понижающего типа, но из-за простоты они не обеспечивают высокой стабильности, а для сложных схем нужны глубокие знания, сложные расчёты, и навыки работы с импульсными источниками и преобразователями со стабилизацией и регулировкой, имеющими так же средство защиты как светодиодов, так и самих компонентов устройства.

Сверхъяркий светодиод мощностью 10 Вт

С появлением ярких и сверхъярких светодиодов средней и большой мощности стали выпускаться специализированные интегральные микросхемы для обеспечивания их питания и имеющие в своём корпусе всё необходимое для сборки устройства с минимальной обвязкой. Такое исполнение позволяет радиолюбителю собирать схемы питания светодиодов и светодиодных матриц с необходимыми параметрами, производя несложные расчёты и используя минимум компонентов для сборки. 

Существуют так же готовые модули на специализированных микросхемах. Такие модули имеют установленное значение тока нагрузки, но сменив некоторые компоненты можно задать другой ток и подобрать его значение под свои нужды.

Модуль на микросхеме LM3406HV является стабилизатором тока для светодиодного освещения и имеет несколько вариантов диммирования. Приведённый здесь модуль произведён и собран в Италии и имеет следующие, заявленные производителем характеристики:

Для понимания работы и функциональности модуля рассмотрим его главный компонент - микросхему LM3406HV от "National Semiconductor" в настоящее время поглощённую "Texas Instruments".

Семейство LM3406 - это монолитные импульсные регуляторы, предназначенные для подачи заданного тока на светодиоды высокой мощности. Они идеально подходят для автомобильного, промышленного и общего освещения, и представляют из себя преобразователи понижающего типа, содержащие мощный N-канальный MOSFET-транзистор с предельным током до 2 А. Управляемое время включённого состояния с установленным средним током и внешним резистором для измерения протекающего тока позволяет выходному напряжению преобразователя изменятся под разное количество последовательно и последовательно-параллельно подключенных светодиодов и светодиодных матриц. Диммирование светодиодов с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) осуществляется по специальному логическому выводу или же по входному напряжению питания. Регулятор имеет функцию отключения с низким энергопотреблением и температурную защиту.

Микросхема выпускается в пластиковом корпусе типа TSSOP (тонкий малогабаритный корпус) и имеет 14 выводов и подложку-теплоотвод:

Подложкой микросхема припаивается к медной площадке на плате для отвода тепла. Из официальной технической документации микросхема имеет следующие максимально допустимые параметры:

На рисунке ниже представлена типовая схема включения микросхемы, взятая из официальной документации:

LM3406HV  - это стабилизатор с широким диапазоном входного, низким уровнем опорного напряжения и функцией быстрого включения/выключения нагрузки. Он позволяет собрать модуль питания светодиодов с прямым током до 1,5 А. В LM3406 также используется интегратор, который усредняет величину тока нагрузки. Эти функции дают точное значение выходного тока, быстрый отклик и постоянную частоту преобразования в широком диапазоне входных и выходных напряжений.

Вывод CS, подключаемый к измерительному резистору R_SNS, соединён с компаратором, и напряжение на этом выводе сравнивается с опорным напряжением 200 мВ. Данный компаратор контролирует время открытого состояния силового транзистора, которое зависит от входного напряжения, величины протекающего через нагрузку тока, а также уровня выходного напряжения. По истечении времени включённого состояния силовой транзистор закрывается и будет оставаться в закрытом состоянии как минимум 230 нс. Это минимальное значение, после завершения которого компаратор сравнивает интегрированный сигнал с измерительного резистора и ожидает, чтобы начать следующий цикл:

Микросхема не имеет тактового генератора, однако время включения устанавливается пропорционально как входному, так и выходному напряжению для поддержания относительно постоянной частоты. Ток нагрузки I_F, протекающий через светодиоды, устанавливается измерительным резистором R_SNS. Его сопротивление можно рассчитать по следующей формуле:

 R_SNS = 0,2/I_F

Вывод DIM представляет собой TTL-совместимый вход для регулировки яркости светодиода широтно-импульсной модуляцией. Низкий уровень (ниже 0,8 В) на выводе DIM закроет внутренний МОП-транзистор и прекратит ток через светодиодную матрицу. Высокий уровень на выводе DIM (выше 2,2 В) обеспечивается внутренним током смещения 75 мкА (типичный), что гарантирует открывание транзистора когда контакт DIM разомкнут, без необходимости в подтягивающем резисторе:

Так же микросхема имеет компаратор, отслеживающий напряжение на выводе VINS. Если напряжение на этом выводе падает ниже 70% пикового напряжения VIN, то этот компаратор закроет внутренний МОП-транзистор и прекратит ток через светодиодную матрицу. Добавление внешнего входного диода и использование внутреннего компаратора VINS позволяет реагировать на диммирование, которое выполняется с помощью широтно-импульсной модуляции входного напряжения. Этот метод также называется как «Двухпроводная регулировка» и часто используется в корпоративном секторе для регулировки яркости освещения в помещении с большим числом светодиодных ламп:

Микросхема имеет компаратор для ограничения максимального тока, протекающего через силовой транзистор. Если при открывании транзистора по какой то причине ток превысит 2,1 А, то компаратор закроет силовой транзистор на время 100 мкс, по истечении которого система перезагрузится. Если после перезагрузки ток снова превышает предельный порог, то система переходит в режим малой мощности, позволяя параметрам нормализоваться, снижая тепловую нагрузку на силовой транзистор и внешние компоненты.

Частой причиной поломки светодиодных ламп оказывается обрыв в цепи нагрузки, обусловленный выходом из строя одного из светодиодов массива или светодиодной матрицы. В таком случае напряжение на выходе микросхемы может достигнуть уровня входного напряжения и даже превысить его. Это влечёт за собой повреждение как микросхемы, так и внешних компонентов. Для защиты от такого рода перегрузок производитель рекомендует два способа. В первом варианте нужно установить стабилитрон между выходом, в точке соединения дросселя и нагрузки, и выводом CS. Тогда выходное напряжение будет ограничено на уровне "Напряжение стабилитрона + 200 мВ". В качестве альтернативы первому варианту, так же рекомендуется установить диод с выхода на вход для ограничения выходного напряжения на уровне "Входное напряжение + Напряжение на диоде":

Более подробно о микросхемах семейства LM3406 Вы можете посмотреть в справочной документации LM3406HVMH.pdf и LM3406_by_Texas.pdf, а сейчас же вернёмся к готовому модулю для питания светодиодов и светодиодных матриц, собранному на микросхеме LM3406HV.

Данный модуль, как уже говорилось, изготовлен в Италии и имеет высокое качество исполнения. Монтаж произведён ровно и аккуратно на плате из двухстороннего фольгированного текстолита с установленной микросхемой и со всей необходимой обвязкой в виде диодов, стабилитронов, дросселя, предохранителя, резисторов и конденсаторов только с одной стороны платы. По краям имеются контактные площадки для подачи питания с сигналом регулировки и подключения нагрузки. Вся плата небольшого размера и занимает мало места:

В рассматриваемом здесь модуле уже реализованы ранее перечисленные функции регулировки яркости и защиты. Стабилизированный ток через нагрузку задан двумя параллельно соединёнными резисторами сопротивлением 1 Ом и 1,2 Ом. Между выходом модуля и выводом микросхемы CS установлен стабилитрон с напряжением стабилизации 18 В, ограничивающий выходное напряжении при обрыве в цепи нагрузки. Во входной цепи установлен плавкий предохранитель для защиты от внештатных ситуаций и диод Шоттки для организации "Двухпроводной регулировки" с помощью широтно-импульсной модуляции входного напряжения:

Испытания модуля проводились со сверхъярким светодиодом белого свечения с заявленной мощностью 10 Вт. Светодиод имеет алюминиевую подложку, которой крепится к радиатору с площадью охлаждающей поверхности 100 см² для предотвращения перегрева, деградации кристаллов и выходу из строя. По бокам имеются два лепестка для подачи питания:

Для начала на вход модуля было подано постоянное напряжение 24 В согласно указанной полярности на плате:

При разомкнутом выходе и замере напряжения на нём, оно оказалось ограниченным на уровне 18 В:

После замера напряжения на выходе модуля с разомкнутой нагрузкой, нужно проверить его работу со светодиодом. Упомянутый ранее светодиод имеет обозначения полярности "+" и "-" возле соответствующих лепестков анода и катода. Светодиод состоит из нескольких кристаллов, расположенных рядами и комбинировано соединённых друг с другом последовательно-параллельно. При заявленной мощности 10 Вт падение напряжения на светодиоде будет составлять 10 В. Это значит, что для обеспечения номинальной мощности данного светодиода, через него нужно пропустить ток силой в 1 А:

Подключать его следует придерживаясь указанной полярности, иначе можно повредить светодиод. Так же при испытаниях на номинальной мощности обязательно нужно устанавливать светодиод на соответствующий радиатор для отвода тепла. В данном случае заявленный ток модуля равен 350 мА, что обеспечивает мощность 3,5 Вт на светодиоде, и так как испытания проводились кратковременно, то теплоотвод не использовался:

После подачи питания и зажигания светодиода было измерено падение напряжения на нём, и оно оказалось в районе 10 В, как и было указано в спецификации на данный светодиод:

Так же был измерен ток, выдаваемый драйвером, и как и было указано в технических характеристиках на этот модуль, протекающий через светодиод ток составил примерно 350 мА, а если точнее то 370 мА:

Небольшие отклонения в показаниях параметров можно счесть за погрешность мультиметра, так как рассматриваемый здесь модуль является высокого качества и обладает большой точностью. Но по формуле из технической документации на микросхему LM3406HV можно определить ток стабилизации данного модуля, если узнать измерительное сопротивление R_SNS. А как уже было показано раннее, то измерительное сопротивление на модуле состоит из двух параллельно включённых резисторов, в сумме дающих сопротивление ≈ 0,54 Ом. Подставив в формулу для расчёта это значение получаем ток стабилизации I = 0,2/R_SNS = 0,2/0,54 ≈ 0,37 A 

Небольшое отклонение на самом деле составляет 6 % от заявленной величины, а это не так уж и мало для такого высокого класса устройств, и было бы лучше, если бы это отклонение было в меньшую сторону, что бы не превышать номинальные токи светодиодов и этим самым не уменьшать срок их службы.

Далее, для изменения и уменьшения тока стабилизации, сопротивление измерительного шунта было увеличено путём демонтажа одного из параллельно включённых резисторов:

Был выпаян резистор сопротивлением 1 Ом, и так как на плате модуля остался только резистор на 1,2 Ом, то ток стабилизации составил I = 0,2/1,2 ≈ 0,16 A:

Таким образом, рассчитывая сопротивление нагрузочного резистора, в небольших пределах можно подбирать ток стабилизации модуля, не изменяя других компонентов печатной платы, таких как диоды и дроссель. Но для получения тока больше 1 А рекомендуется пересчитать необходимую индуктивность и нагрузочную способность дросселя. Сделать это можно обратившись к официальной документации на микросхему LM3406 в файле LM3406_by_Texas.pdf.

На этом обзор модуля светодиодного драйвера подошёл к концу, но в этой статье мы не рассмотрели способы и возможности диммирования, которые выходят за рамки данного материала. На эту тему будет представлена другая статья, и в ней мы соберём прототип светодиодного прожектора на базе рассмотренных здесь светодиода и драйвера, с использованием отладочной платы с микроконтроллером mega328p для управления и регулировки, рассмотренная в ранней статье, которую Вы можете посмотреть по ссылке: http://cxem.net/arduino/arduino233.php.

Подписывайтесь на статью и следите за новыми выпусками, оставляйте Ваши отзывы и пожелания, а Я постараюсь ответить на все интересующие Вас вопросы.

Теги:

• LED драйвер
• ШИМ
• Освещение
• Стабилизатор
• Диммер