Виды и характеристики драйверов для светодиодных источников света

Понятие сетевого драйвера и его предназначение

Драйвер — электронный компонент, на который поступает напряжение переменного тока, происходит стабилизация и выходит напряжение постоянного тока. Здесь важно понимать, что речь идет о получении тока. Для преобразования напряжения используются обычные блоки питания (на корпусе указывается значение выходного напряжения). Блоки питания эксплуатируются в диодных лентах.

Главная характеристика преобразователя для светодиодных осветительных приборов — выходной ток. Для нагрузки используют вспомогательные led-диоды или другие полупроводники. Практически всегда драйвер питается от промышленной сети 220 В, а диапазон напряжения на выходе начинается от 2 – 3 и заканчивается десятками Вольт. Чтобы подключить три светодиода на 3 Вт, необходим электронный драйвер с выходным напряжением 9 – 21 В и током 780 мА. При небольшой нагрузке универсальное устройство характеризуется низким коэффициентом полезного действия (КПД).

Для питания фар транспортных средств применяют источник с постоянным напряжением от 10 до 35 В. Если мощность невысокая, драйвер необязателен, но потребуется соответствующий резистор. Данный компонент — незаменимая часть бытового выключателя, но при коммутации led-диода к переменной сети 220 В нельзя рассчитывать на надежную и долговечную работу.

LED драйвер. Зачем он нужен и как его подобрать?

В последнее время потребители всё чаще интересуются светодиодным освещением. Популярность LED ламп вполне обоснована – новая технология освещения не выделяет ультрафиолетового изучения, экономична, а срок службы таких ламп – более 10 лет. Кроме того, при помощи LED элементов в домашних и офисных интерьерах, на улице легко создать оригинальные световые фактуры.

Если вы решились приобрести для дома или офиса такие приборы, то вам стоит знать, что они очень требовательны к параметрам электросетей. Для оптимальной работы освещения вам понадобится LED — драйвер. Так как строительный рынок переполнен устройствами как различного качества так и ценовой политики, перед тем, как приобрести светодиодные устройства и блок питания к ним, не лишним будет ознакомиться с основными советами, которые дают специалисты в этом деле.

Для начала рассмотрим, для чего нужен такой аппарат как драйвер.

Каково предназначение драйверов?

Драйвер (блок питания) — это устройство, которое выполняет функции стабилизации тока, протекающего через цепь светодиодов, и отвечает за то, чтобы купленный вами прибор отработал гарантированное производителем количество часов. При подборе блока питания необходимо для начала досконально изучить его выходные характеристики, среди которых ток, напряжение, мощность, коэффициент полезного действия (КПД), а также степень его защиты т воздействия внешних факторов.

К примеру, от проходных характеристик тока зависит яркость светодиод. Цифровое обозначение напряжения отражает диапазон, в котором функционирует драйвер при возможных скачках напряжения. Ну и конечно чем выше КПД, тем более эффективно будет работать устройство, а срок его эксплуатации будет больше.

Где применяются LED драйвера?

Электронное устройство – драйвер — обычно питается от электрической сети в 220В, но рассчитан на работу и с очень низким напряжением в10, 12 и 24В. Диапазон рабочего выходного напряжения, в большинстве случаев, составляет от 3В до нескольких десятков вольт. К примеру, вам нужно подключить семь светодиодов напряжением 3В. В этом случае потребуется драйвер с выходным напряжением от 9 до 24В, который рассчитан на 780 мА. Обратите внимание, что, несмотря на универсальность, такой драйвер будет обладать малым коэффициентом полезного действия, если дать ему минимальную нагрузку.

Если вам нужно установить освещение в авто, вставить лампу в фару велосипеда, мотоцикла, в один или два небольших уличных фонаря или в ручной фонарь, питания от 9 до 36В вам будет вполне достаточно.

LED –драйверы по мощнее необходимо будет выбирать, если вы намерены подключить светодиодную систему, состоящую из трех и более устройств, на улице, выбрали её для оформления своего интерьера, или же у вас есть настольные офисные светильники, которые работают не менее 8 часов в день.

Как работает драйвер?

Как мы уже рассказывали, LED — драйвер выступает источником тока. Источник напряжения создает на своем выходе некоторое напряжение, в идеале не зависящее от нагрузки.

Например, подключим к источнику напряжением 12 В резистор 40 Ом. Через него пойдет ток величиной 300мА.

Теперь включим сразу два резистора. Суммарный ток составит уже 600мА.

Блок питания поддерживает на своем выходе заданный ток. Напряжение при этом может изменяться. Подключим так же резистор 40Ом к драйверу 300мА.

Блок питания создаст на резисторе падение напряжения 12В.

Если подключить параллельно два резистора, ток также будет 300мА, а напряжение упадет в два раза.

Каковы основные характеристики LED — драйвера?

При подборе драйвера обязательно обращайте внимание на такие параметры, как выходное напряжение, потребляемая нагрузкой мощность (ток).

— Напряжение на выходе зависит от падения напряжения на светодиоде; количества светодиодов; от способа подключения.

— Ток на выходе блока питания определяется характеристиками светодиодов и зависит от их мощности и яркости, количества и цветового решения.

Остановимся на цветовых характеристиках LED — ламп. От этого, к слову, зависит мощность нагрузки. Например, средняя потребляемая мощность красного светодиода варьирует в пределах 740 мВт. У зеленого цвета средняя мощность составит уже около 1.20 Вт. На основании этих данных можно заранее просчитать, какой мощности драйвер вам понадобится.

Чтобы вам легче было просчитать общую потребляемую мощность диодов, предлагаем использовать формулу.

P=Pled x N

где Pled — это мощность LED, N — количество подключаемых диодов.

Еще одно важное правило. Для стабильной работы блока питания запас по мощности должен быть хотя бы 25%. То есть должно выполняться следующее соотношение:

Pmax ≥ (1.2…1.3)xP

где Pmax — это максимальная мощность блока питания.

Как правильно подсоединять светодиоды-LED?

Подключать светодиоды можно несколькими способами.

Первый способ – это последовательное введение. Здесь потребуется драйвер напряжением 12В и током 300мА. При таком способе светодиоды в лампе или на ленте горят одинаково ярко, но если вы решитесь подключить большее число светодиодов, вам потребуется драйвер с очень большим напряжением.

Второй способ — параллельное подключение. Нам подойдет блок питания на 6В, а тока будет потребляться примерно в два раза больше, чем при последовательном подключении. Есть и недостаток — одна цепь может светить ярче другой.

Последовательно-параллельное соединение – встречается в прожекторах и других мощных светильниках, работающих и от постоянного, и от переменного напряжения.

Четвертый способ — подключение драйвера последовательно по два. Он наименее предпочтителен.

Есть еще и гибридный вариант. Он соединил в себе достоинства от последовательного и параллельного соединения светодиодов.

Специалисты советуют драйвер выбирать перед тем, как вы купите светодиоды, да еще и желательно предварительно определить схему их подключения. Так блок питания будет для вас более эффективно работать.

Линейные и импульсные драйверы. Каковы их принципы работы?

Сегодня для LED ламп и лент выпускают линейные и импульсные драйверы. У линейного выходом служит генератор тока, который обеспечивает стабилизацию напряжения, не создавая при этом электромагнитных помех. Такие драйверы просты в использовании и не дорогие, но невысокий коэффициент полезного действия ограничивает сферу их применения.

Нужен светодиодный драйвер на 220В?

Для включения в сеть 220В выпускаются линейные и импульсные драйверы. При этом если блоки питания обладают гальванической развязкой (передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ним), они демонстрируют высокий коэффициент полезного действия, надежность и безопасность в эксплуатации.

Без гальванической развязки блок питания обойдется вам дешевле, но будет не столь надежным, потребует осторожности при подсоединении из-за опасности удара током.

При подборе параметров по мощности специалисты рекомендуют останавливать свой выбор на светодиодных драйверах с мощностью, превышающей необходимый минимум на 25%. Такой запас мощности не даст электронному прибору и питающему устройству быстро выйти из строя.

Стоит ли покупать китайские драйверы?

Made in China – сегодня на рынке можно встретить сотни драйверов различных характеристик, произведенных в Китае. Что же они собой представляют? В основном это устройства с импульсным источником тока на 350-700мА. Низкая цена и наличие гальванической развязки позволяют таким драйверам быть в спросе у покупателей. Но есть и недостатки прибора китайской сборки. Зачастую они не имеют корпуса, использование дешевых элементов снижает надежность драйвера, да еще и отсутствует защита от перегрева и колебаний в электросети.

Китайские драйверы, как и многие товары, выпускаемые в Поднебесной, недолговечны. Поэтому если вы хотите установить качественную систему освещения, которая прослужит вам ни один год, лучше всего покупать преобразователь для светодиодов от проверенного производителя.

Каков срок службы led драйвера?

Драйверы, как и любая электроника, имеют свой срок эксплуатации. Гарантийный срок службы LED — драйвера составляет 30 000 часов. Но не стоит забывать, что время работы аппарата будет зависеть еще от нестабильности сетевого напряжения, уровня влажности и перепада температур, влияния на него внешних факторов.

Неполная загруженность драйвера также снижает срок эксплуатации прибора. К примеру, если LED – драйвер рассчитан на 200Вт, а работает на нагрузку 90Вт, половина его мощности возвращается в электрическую сеть, вызывая ее перегрузку. Это провоцирует частые сбои питания и прибор может перегореть, сослужив вам всего год.

Следуйте нашим советам и тогда не придется часто менять светодиодные устройства.

Принцип работы

Преобразователь выступает источником тока. Разберемся в отличиях изделия от блока питания — источника напряжения.

На выходе каждого преобразователя напряжения имеем определенное напряжение, которое не связано с нагрузкой. К примеру, если подключить к блоку питания 12 В сопротивление 40 Ом, через него будет идти ток 300 мА. Если установить два резистора параллельно, то в сумме получится ток 600 мА, хотя напряжение останется идентичным.

Что касается драйвера, он дает одинаковый ток, несмотря на изменяющееся в меньшую или большую сторону напряжение. Возьмите резистор 30 Ом и соедините его с драйвером на 225 мА. Напряжение упадет до 12 В. Если выполнить коммутацию двух параллельно соединенных резисторов по 30 Ом каждый, ток все равно останется равным 225 мА, но напряжение уменьшится вдвое — до 6 В.

Отсюда вывод: качественный драйвер гарантирует нагрузке заданный выходной ток независимо от изменяющегося напряжения. В результате led-диод при подаче напряжения 5 В будет светить одинаково ярко в сравнении с источником питания на 10 В при условии сохранения идентичного тока.

Правила расчета технических параметров

Работоспособность любого устройства зависит от правильно подобранных компонентов. Поэтому необходимо знать, как рассчитывать каждый элемент драйвера.

Емкость гасящего конденсатора определяют по формуле:

С(мкФ) = 3200*I нагрузки/√(Uвход²-Uвыход²)

Например, для светодиодов с током 300 mA :

С(мкФ) = 3200* 300 /√(220²-24²) = 4,367 мкф.

Величина ограничивающего сопротивления прямо пропорциональна количеству потребляемого тока:

• 500 mA – 2,5 Ом;
• 250 mA – 5 Ом;
• 125 mA – 10 Ом.

Зная эти величины, можно рассчитать резистор для любого количества светодиодов.

Технические характеристики

Необходимость покупки драйвера возникает, если был найден интересный светильник без преобразователя тока. Другой вариант — создание источника света с нуля путем приобретения каждого элемента отдельно.

Перед покупкой преобразователя тока изучите три главные характеристики:

• выходной ампераж;
• рабочая мощность;
• выходной вольтаж.

Выходное напряжение рассчитывается исходя из схемы подключения к питанию и числа светодиодов. Значение тока оказывает воздействие на мощность и уровень свечения. Выходного тока драйвера для led-диодов должно быть достаточно для постоянного и яркого свечения.

Мощность изделия должна быть выше суммарного значения всех светодиодов. Для расчета используется формула P = P (led) × X, где

• P (led) — мощность диода;
• X — число диодов.

Для гарантии продолжительной эксплуатации драйвера нужно ориентироваться на запас мощности — покупайте преобразователи номинальной мощностью на 20 – 30 % выше требуемого значения. Не забывайте о цветовом факторе, непосредственно связанном с падением напряжения. Последняя величина изменяется в зависимости от разных цветов.

Вариант драйвера без стабилизатора тока

В сети существует огромное количество схем драйверов для светодиодов от сети 220В, которые не имеют стабилизаторов тока.

Проблема любого безтрансформаторного драйвера – пульсация выходного напряжения, следовательно, и яркости светодиодов. Конденсатор, установленный после диодного моста, частично справляется с этой проблемой, но решает её не полностью.

На диодах будет присутствовать пульсация с амплитудой 2-3В. Когда мы устанавливаем в схему стабилизатор на 12В, даже с учётом пульсации амплитуда входящего напряжения будет выше диапазона отсечения.

Диаграмма напряжения в схеме без стабилизатора

Диаграмма в схеме со стабилизатором

Поэтому драйвер для диодных ламп, даже собранный своими руками, по уровню пульсации не будет уступать аналогичным узлам дорогих ламп фабричного производства.

Как видите, собрать драйвер своими руками не представляет особой сложности. Изменяя параметры элементов схемы, мы можем в широких пределах варьировать значения выходного сигнала.

Если у вас возникнет желание на основе такой схемы собрать схему светодиодного прожектора на 220 вольт, лучше переделать выходной каскад под напряжение 24В с соответствующим стабилизатором, поскольку выходной ток у L7812 1,2А, это ограничивает мощность нагрузки в 10Вт. Для более мощных источников освещения требуется либо увеличить количество выходных каскадов, либо использовать более мощный стабилизатор с выходным током до 5А и устанавливать его на радиатор.

Оцените, пожалуйста, статью. Мы старались:)

Понравилась статья? Расскажите о ней! Вы нам очень поможете:)

Срок годности

Срок эксплуатации драйвера несколько меньше по сравнению с оптической составляющей светодиодного светильника — порядка 30 000 часов. Это связано с рядом причин: скачками напряжения, изменениями температуры, влажности и нагрузкой на преобразователь.

Одно из уязвимых мест — сглаживающий конденсатор, в котором со временем испаряется электролит. В большинстве случаев это происходит при монтаже в помещениях с высокой влажностью или подключении к сети, в которой есть скачки напряжения. Подход приведет к повышению пульсаций на выходе устройства, что негативно воздействует на led-диоды.

Нередко срок службы драйвера уменьшается из-за частичной загруженности. Если используется устройство мощностью 200 Вт с уменьшенной в два раза нагрузкой (100 Вт), половина от номинального значения вернется в сеть, что вызовет перегрузку и более частые сбои питания.

Необходимые материалы и инструменты

Для того, чтобы собрать самодельный драйвер, потребуются:

• Паяльник мощностью 25-40 Вт. Можно использовать и большей мощности, но при этом возрастает опасность перегрева элементов и выхода их из строя. Лучше всего использовать паяльник с керамическим нагревателем и необгораемым жалом, т.к. обычное медное жало довольно быстро окисляется, и его приходится чистить.
• Флюс для пайки (канифоль, глицерин, ФКЭТ, и т.д.). Желательно использовать именно нейтральный флюс, — в отличие от активных флюсов (ортофосфорная и соляная кислоты, хлористый цинк и др.), он со временем не окисляет контакты и менее токсичен. Вне зависимости от используемого флюса после сборки устройства его лучше отмыть с помощью спирта. Для активных флюсов эта процедура является обязательной, для нейтральных — в меньшей степени.
• Припой. Наиболее распространенным является легкоплавкий оловянно-свинцовый припой ПОС-61. Бессвинцовые припои менее вредны при вдыхании паров во время пайки, но обладают более высокой температурой плавления при меньшей текучести и склонностью к деградации шва со временем.
• Небольшие плоскогубцы для сгибания выводов.
• Кусачки или бокорезы для обкусывания длинных концов выводов и проводов.
• Монтажные провода в изоляции. Лучше всего подойдут многожильные медные провода сечением от 0.35 до 1 мм2.
• Мультиметр для контроля напряжения в узловых точках.
• Изолента или термоусадочная трубка.
• Небольшая макетная плата из стеклотекстолита. Достаточно будет платы размерами 60х40 мм.

Виды драйверов

Существуют две основные категории преобразователей тока для светодиодов — линейного и импульсного типов. На линейном оборудовании выход — генератор тока, гарантирующий стабилизацию при любых перепадах сетевого напряжения. Компонент выполняет плавную подстройку без образования электромагнитных волн высокой частоты. Простые и дешевые изделия с КПД ниже 80 %, что ограничивает область использования до светодиодов и лент малой мощности.

Принцип действия импульсных драйверов сложнее — на выходе образуется серия импульсов тока высокой частоты.

Частота появления импульсов тока всегда постоянна, но коэффициент заполнения может изменяться в диапазоне 10 – 80 %, что приводит к изменению значения выходного тока. Компактные габариты и высокий КПД (90 – 95 %) обусловили широкое распространение импульсных драйверов. Их главный недостаток — большее число электромагнитных помех (в сравнении с линейными).

На стоимости драйвера сказывается наличие или отсутствие гальванической развязки. В последнем случае устройства обычно дешевле, но надежность значительно ниже из-за вероятности поражения током.

Сборка и настройка драйвера

Монтаж компонентов драйвера производится на макетной плате. Сначала устанавливается микросхема LM393, затем самые маленькие компоненты: конденсаторы, резисторы, диоды. Потом ставятся транзисторы, и в последнюю очередь переменный резистор.

Размещать элементы на плате лучше таким образом, чтобы минимизировать расстояние между соединяемыми выводами и использовать как можно меньше проводов в качестве перемычек.

При соединении важно соблюдать полярность подключения диодов и распиновку транзисторов, которую можно найти в техническом описании на эти компоненты. Также диоды можно проверить с помощью мультиметра в режиме измерения сопротивления: в прямом направлении прибор покажет значение порядка 500-600 Ом.

Для питания схемы можно использовать внешний источник постоянного напряжения 5-24 В или аккумуляторы. У батареек 6F22 («крона») и других слишком маленькая емкость, поэтому их применение нецелесообразно при использовании мощных LED.

После сборки нужно подстроить выходной ток. Для этого на выход припаиваются светодиоды, а движок VR1 устанавливается в крайнее нижнее по схеме положение (проверяется мультиметром в режиме «прозвонки»). Далее на вход подаем питающее напряжение, и вращением ручки VR1 добиваемся требуемой яркости свечения.

Список элементов:

Диммируемый драйвер

Диммер — устройство, позволяющее регулировать яркость источников света. Большинство драйверов поддерживают данную функцию. С их помощью понижается интенсивность освещения в светлое время суток, расставляются акценты на определенных предметах интерьера, выполняется зонирование комнаты. Все это предоставляет возможность снижения затрат на электроэнергию и увеличение ресурса отдельных компонентов.

Изготовление плат

Самодельный способ

ЛУТ — лазерно-утюжная технология, способ производства плат при помощи травления по маске, полученной переводом тонера с бумаги на медь. Этот способ отлично подходит для несложных односторонних плат — таких как этот драйвер. В сети достаточно много статей по этой технологии, поэтому я не буду углубляться в подробности, а лишь расскажу вкратце про то, как это делаю я.

Для начала нужно подготовить шаблон, который будет распечатан на термобумаге. Экспортирую в PDF слой top_layer, получаю векторное изображение.

Поскольку плата маленькая, есть смысл брать кусок текстолита с габаритами в несколько раз больше и делать то, что в промышленности называют панелизацией. Для этих целей весьма удобен CorelDraw, но можно пользоваться и любым другим векторным редактором. Размещаю копии шаблонов на документе, между платами делаю промежутки в 0.5-1мм (зависит от способа разделения, об этом позже), платы должны быть расположены симметрично — иначе будет сложно их разделить.

Подбираю кусок одностороннего текстолита размерами чуть больше, чем скомпонованная панель, зачищаю и обезжириваю (предпочитаю тереть ластиком и потом спиртом). Печатаю на термобумаге шаблон для травления (тут важно не забыть отзеркалить шаблон). При помощи утюга и терпения, аккуратно поглаживая по бумаге, перевожу на текстолит. Жду пока остынет и осторожно отдираю бумагу. Свободные участки меди (не покрытые тонером) можно покрыть лаком или заклеить скотчем (чем меньше площадь меди, тем быстрее идет реакция травления).

Такая вот домашняя панелизация — большое количество плат позволяет компенсировать брак производства

Я травлю платы лимонной кислотой в растворе перекиси водорода, это самый доступный способ, хотя и довольно медленный. Пропорции такие: на 100мл перекиси 3% идет 30г лимонной кислоты и примерно 5г соли, это все перемешивается и выливается в емкость с текстолитом. Подогревание раствора ускорит реакцию, но может привести к отслаиванию тонера.

Начинается неведомая химическая магия: медь покрывается пузырями, а раствор приобретает синий оттенок

Через какое-то время достаю протравленую плату, очищаю от тонера. У меня его не получается смывать какими-либо растворителями, поэтому я удаляю его механически — мелкозернистой наждачной бумагой.

Теперь остается залудить плату — это поможет при пайке и защитит медь от окисления и облегчит пайку. Лудить я предпочитаю сплавом Розе — этот сплав плавится при температуре около 95 градусов, что позволяет лудить им в кипящей воде (да, возможно не самый надежный состав для лужения, но для самодельных плат годится).

После лужения я сверлю плату (для контактов использую твердосплавные сверла ф1.0, для перемычек — ф0.7), сверлю дремелем за неимением другого инструмента. Пилить текстолит я не люблю из-за пыли, поэтому после сверления разрезаю платы канцелярским ножом — с двух сторон делаю несколько надрезов по одной линии, затем разламываю по надрезу. Это напоминает метод V-cut, используемый в промышленности, только там надрез делается фрезой.

Так выглядит плата, готовая к пайке

Когда плата готова, можно приступать к распайке компонентов. Сначала я запаиваю мелочь (резисторы 0603), затем все остальное. Резисторы примыкают вплотную к МК, поэтому в обратной последовательности запаять может быть проблематично. После пайки я проверяю, нет ли КЗ по питанию драйвера, после чего уже можно приступать к прошивке МК.

Драйверы, готовые к загрузке прошивки

Промышленный способ

ЛУТ — это быстро и доступно, но технология имеет свои недостатки (как и почти все «домашние» методы изготовления ПП). Проблематично сделать двухсторонную плату, дорожки могут быть перетравлены, а о металлизации отверстий остается только мечтать.

Благо, предприимчивые китайцы давно предлагают услуги изготовления печатных плат промышленным способом. Как ни странно, однослойная плата у китайцев будет стоить дороже, чем двухслойная, поэтому я решил добавить второй (нижний) слой к печатной плате. На этом слое продублированы силовые дорожки и земля. Так же, появилась возможность сделать теплоотвод от транзистора (медные полигоны на нижнем слое), что позволит драйверу работать на более высоких токах.

Нижний слой платы в Altium Designer

Для этого проекта я решил заказать печатную плату на сайте PcbWay. На сайте есть удобный калькулятор расчета стоимости плат в зависимости от их параметров, размеров и количества. После расчета стоимости я загрузил gerber-файл, созданный ранее в Altium Designer, китайцы его проверили и плата отправилась на производство.

Изготовление комплект из 10 плат TinyFL обошлось мне в $5. При регистрации нового пользователя дается скидка $5 на первый заказ, поэтому я оплачивал только доставку, которая тоже стоит где-то в районе $5. На этом сайте есть возможность выложить проект в общий доступ, поэтому если кто-то захочет заказать эти платы, можно просто добавить в корзину этот проект.

Спустя пару-тройку недель мне пришли те же самые платы, только красивенькие изготовленные промышленным способом. Их остается только распаять и залить в них прошивку.

Китайские драйверы

Дешевые и низкокачественные китайские драйверы характеризуются отсутствием корпуса. Величина выходного тока обычно не превышает 700 мА. На фоне минимальной стоимости и (возможно) наличия гальванической развязки недостатки выглядят куда более серьезными:

• короткий срок эксплуатации;
• ненадежность — дешевые элементы для схем;
• большие радиочастотные помехи;
• многочисленные пульсации;
• слабая защита от высокой температуры и повышения/снижения сетевого напряжения.

Отличительные характеристики преобразователя

Один из важнейших показателей – передаваемая мощность под нагрузкой. Устройство нельзя перегружать и пытаться получить максимально возможные результаты.

Неправильное использование способствует быстрому выходу из строя не только обзорного механизма, но и LED чипов.

К главным факторам, влияющим на работу, относятся:

• составляющие элементы, используемые в процессе сборки;
• степень защиты (IP);
• минимальные и максимальные значения на входе и выходе;
• производитель.

Современные модели преобразователей выпускаются на базе микросхем и применяют технологию широтно-импульсных преобразований (ШИМ).

Такие устройства отличаются высокой степенью защиты от коротких замыканий, перегрузок сети, а также обладают повышенным КПД.

Как подобрать драйвер

Если хотите получить качественное устройство, которое прослужит несколько лет и будет выполнять требуемые функции, рекомендуем избегать приобретения дешевых китайских изделий. Далеко не всегда физические параметры таковых совпадают с заявленными значениями. Не покупайте приборы, у которых отсутствуют гарантийные талоны.

Самый простой, средний по качеству и цене вариант — преобразователь тока без корпуса, подключаемый к промышленной сети напряжением 220 В. Выбирая ту или иную модификацию устройства, можно использовать его для одного или нескольких светодиодов. Это отличные элементы, применяемые в лабораторных исследованиях и экспериментах. Для квартиры и дома желательно покупать драйверы с корпусом, поскольку при его отсутствии снижаются надежность и безопасность эксплуатации.

Как сделать драйвер для светодиодов

В приведенных ниже схемах используются самые распространенные элементы, которые можно приобрести в любом радиомагазине. При сборке не требуется специальное оборудование, — все необходимые инструменты находятся в широком доступе. Несмотря на это, при аккуратном подходе устройства работают достаточно долго и не сильно уступают коммерческим образцам.

Готовые микросхемы преобразователей тока для светодиодных светильников

На рынке можно встретить готовые микросхемы для преобразования тока. Ниже рассмотрим наиболее популярные из всех:

1. Supertex HV9910 — импульсный преобразователь с током до 10 мА, не поддерживающий развязку.
2. ON Semiconductor UC3845 — устройство импульсного типа, выходной ток которого равен 1 А.
3. Texas Instruments UCC28810 — драйвер импульсного типа с поддержкой развязки и выходным током не более 750 мА.
4. LM3404HV — отличный вариант для питания светодиодов высокой мощности. Работа построена по принципу преобразователя резонансного типа. Для поддержания номинального тока используется резонансная цепь, состоящая из конденсатора и полупроводникового диода Шоттки. При выборе сопротивления RON есть возможность задать требуемую частоту коммутации.
5. Maxim MAX16800 — линейный драйвер для малого напряжения (12 В). Выходной ток насчитывает не более 350 мА. Данная схема драйвера для светодиодной лампы — отличный вариант для мощного led-диода или фонарика. Поддерживается диммирование.

Светодиодный драйвер — что это такое

Прямой перевод слова «драйвер» означает «водитель». Таким образом, драйвер любой светодиодной лампы выполняет функцию управления подающимся на устройство напряжением и регулирует параметры освещения.

Светодиоды это электрические приборы, способные излучать свет в некотором спектре. Чтобы прибор работал правильно, необходимо подавать на него исключительно постоянное напряжение с минимальными пульсациями. Условие особенно актуально для мощных светодиодов. Даже минимальные перепады напряжения способны вывести прибор из строя. Незначительное снижение входного напряжения мгновенно отразится на параметрах светоотдачи. Превышение установленного значения приводит к перегреву кристалла и его перегоранию без возможности восстановления.

Драйвер осуществляет функцию стабилизатора входного напряжения. Именно этот компонент отвечает за поддержание необходимых значений тока и правильную работу источника освещения. Использование качественных драйверов гарантирует долгое и безопасное использование прибора.

Самостоятельная сборка преобразователя для светодиодов 220 В

Рассмотренная схема напоминает блок питания импульсного типа. Для примера возьмем простой блок питания импульсного типа, не имеющий гальванической развязки. Главные преимущества подобной схемы — простота и надежность.

При выборе метода действуйте осторожно, поскольку отсутствуют какие-либо ограничения по выходному току. Светодиоды будут питаться от положенных им 1,5 – 2 А, но если по неосторожности коснуться руками оголенных проводов, значение тока вырастет до десятков ампер и произойдет сильный удар.

Простейшая схема преобразователя тока на 220 В содержит три каскада:

• делитель напряжения с емкостным резистором;
• несколько диодов (мост);
• стабилизатор напряжения.

В первом каскаде емкостной резистор используется для самостоятельной подзарядки конденсатора, не имеет отношения к работе самой схемы. Номинал не имеет значения и обычно составляет от 100 кОм до 1 МОм при мощности не более 1 Вт. В этих целях нельзя выбирать электролитический конденсатор.

Ток через конденсатор проходит до тех пор, пока он полностью не зарядится. Чем ниже емкость конденсатора, тем быстрее завершится процесс. Конденсатор на 0,3 мкФ пропустит через себя меньшую часть от общего напряжения сети.

Диодный мост используется для трансформации переменного напряжения в постоянное. После того как конденсатор «отсечет» практически весь вольтаж, диодный мост выдаст постоянный ток с напряжением 20 – 22 В.

На третьем каскаде устанавливают сглаживающий фильтр для стабилизации напряжения. Конденсатор и диодный мост уменьшают напряжение. Любые изменения напряжения в сети сказываются на выходной амплитуде диодного моста. Для уменьшения пульсации параллельно в схему подключают электролитический конденсатор.

Принцип работы устройства

Основная работа драйвера – создание на выходе заданного значения тока и его поддержание. Любая схема подобного типа состоит из нескольких частей:

• сетевого фильтра, защищающего сеть от помех;
• конденсаторно-резисторного (RC) или трансформаторного узла для снижения напряжения;
• диодного моста для выпрямления;
• стабилизатора тока.

Устройство с RC фильтром действует так:

1. Конденсатор в сети переменного тока выполняет функции емкостного сопротивления. Вместе с мостом он образует делитель напряжения и уменьшает его до нужного предела. Резистор в его цепи служит для самозарядки.
2. Сниженное напряжение поступает на стабилизатор тока, а с него – на светодиоды.

Трансформаторный узел представляет собой устройство ключевого или другого типа, управляемое генератором. Он может быть выполнен на специализированных микросхемах, высоковольтных ключевых транзисторах, простых элементах или на ШИМ контроллере.

Такой драйвер работает следующим образом:

• при подаче питания мост выпрямляет его, и оно идет на ключи, на которых с помощью обмоток создаются противофазные напряжения;
• одновременно с ними включается генератор, который вырабатывает импульсы и запускает драйвер;
• ключи, включаясь попеременно, обеспечивают бесперебойную работу устройства через цепь обратной связи;
• на выходной обмотке возникает переменное напряжение, выпрямляемое мостом или 1-2 диодами вместе с электролитическими конденсаторами;
• далее в цепи стоит стабилизатор тока, к которому подключают светодиоды.

Самостоятельная сборка преобразователя на 10 Ватт

Если хотите своими руками соорудить сетевой драйвер для питания мощного светодиода, воспользуйтесь электронными платами от испорченных экономок. Зачастую подобные светильники прекращают работу именно из-за перегоревших ламп, хотя электронная плата продолжает функционировать. Все компоненты могут применяться для создания блока питания, драйвера и прочих электротехнических приборов. В процессе потребуются конденсаторы, диоды, транзисторы и дроссели.

Разберите вышедшую из строя ртутную лампу мощностью 20 Вт (подходит для драйвера на 10 Вт). В таком случае гарантируется, что дроссель выдержит оказываемую нагрузку. С увеличением потребностей мощности для сетевого драйвера придется выбирать более мощную экономку или вместо дросселя воспользоваться аналогом с огромным сердечником.

Выполните 20 витков на обмотке и паяльником подключите ее к выпрямителю (диодному мосту). Подайте напряжение от промышленной сети 220 В и мультиметром измерьте полученное значение на выходе диодного моста. При использовании инструкции получится значение в районе 9 – 10 В. Светодиодный источник потребляет 0,8 А при номинале 900 мА. Поскольку вы будете подавать ток уменьшенного значения, сможете продлить срок эксплуатации led-диода.

Теория питания светодиодных ламп от 220В

Самый бюджетный вариант можно собирать своими руками из вот таких светодиодов. Десяток таких малюток стоит меньше доллара, а по яркости соответствует лампе накаливания на 75Вт. Собрать всё воедино не проблема, вот только напрямую в сеть их не подключишь – сгорят. Сердцем любой светодиодной лампы является драйвер питания. От него зависит, насколько долго и хорошо будет светить лампочка.

Что бы собрать светодиодную лампу своими руками на 220 вольт, разберёмся в схеме драйвера питания.

Параметры сети значительно превышают потребности светодиода. Что бы светодиод смог работать от сети требуется уменьшить амплитуду напряжения, силу тока и преобразовать переменное напряжение сети в постоянное.

Для этих целей используют делитель напряжения с резисторной либо ёмкостной нагрузкой и стабилизаторы.

Программа (прошивка)

Основная трудность, которая возникла при написании прошивки драйвера, связана она с крайне малым размером flash-памяти — у Attiny13 ее всего-навсего 1024 байта. Так же, поскольку изменение яркости плавное, нетривиальной задачей оказалось равномерное ее изменение — для этого пришлось делать гамма-коррекцию.

Алгоритм управления драйвером

Драйвер включается по короткому нажатию на кнопку, выключается по нему же. Выбранный режим яркости сохраняется на время выключения.

Если во время работы сделать двойное короткое нажатие кнопки (двойной клик), будет включен/выключен дополнительный светодиод. При длинном нажатии во время работы начнет плавно изменяться яркость фонаря. Повторное длинное нажатие изменяет направление (сильнее/слабее).

Драйвер периодически проверяет напряжение батареи, и если оно ниже установленных значений, предупреждает пользователя о разряде, а затем отключается во избежание глубокого разряда.

Более подробное описание алгоритма работы драйвера

1. При подаче питания на МК производится настройка периферии и МК погружается в сон (если STARTSLEEP определено). При подаче питания на драйвер оба светодиода мигают некоторое количество раз, если STARTBLINKS определено.
2. Сон. Attiny13 засыпает в режиме power-down (это самый экономичный режим, по даташиту потребление МК составит ~ 1 мкА), выйти из которого оно может только по какому-либо прерыванию. В данном случае это прерывание INT0 — нажатие кнопки (установка PC1 в логическое 0). На PC1 при этом должна быть включена внутренняя слабая подтяжка к питанию. АЦП и компаратор являются основным потребителями тока из всей периферии, поэтому их тоже нужно отключить. На время сна содержимое регистров и оперативной памяти сохраняется, поэтому EEPROM не нужен для запоминания яркости.
3. После сна периферия и ШИМ включается и драйвер входит в бесконечный цикл, в котором отслеживается нажатие кнопки и периодически проверяется напряжение батареи.
4. Если кнопка нажата — засекается время нажатия. 4.1. Если нажатие короткое — ожидается двойной клик (если BTN_DBCLICK определено). Если он был, переключается дополнительный светодиод LED2 Если нет, то переход к п.2 (сон) 4.2. Если нажатие долгое (дольше, чем BTN_ONOFF_DELAY) — включается режим управления яркостью. В этом режиме:
   Инвертируется направление изменения (больше/меньше) и изменяется % заполнения ШИМ, пока нажата кнопка.
5. Если достигнуто максимальное/минимальное значение (RATE_MAX / RATE_MIN), светодиод начинает мигать;
6. Если прошло n-миганий (AUXMODES_DELAY) и кнопка все еще нажата, включается дополнительный режим. Таких режимов два — стробоскоп ( включается на 25 мс, частота 8 Гц) и аварийный маячок (включается на полную яркость на 50мс, частота 1 Гц). В этих режимах не происходит проверки заряда батареи, а для выхода нужно какое-то время держать нажатой кнопку.
7. Если пришло время проверять напряжение батареи — считываются показания с ADC2, результат сравнивается с предустановленными значениями.
   Если значение АЦП больше значения BAT_WARNING – все нормально
8. Если меньше BAT_WARNING – пользователь предупреждается о разряде, драйвер мигает основным светодиодом. Кол-во вспышек будет пропорционально степени разряда. Например, с дефолтными значениями при полном разряде фонарь мигнет 5 раз.
9. Если меньше BAT_SHUTDOWN — МК переходит в п.2 (сон).

Управление яркостью светодиода

Как известно, самый простой способ управлять яркостью — изменять скважность ШИМ, при этом светодиод на какое-то время включается на полную яркость, затем выключается. Из-за особенностей человеческого глаза кажется, что светодиод светит менее ярко, чем если бы он был включен постоянно. Поскольку светодиод подключен через P-канальный полевой транзистор, для его открытия необходимо притянуть затвор к земле, а для закрытия — наоборот, к питанию. Время открытия транзистора по отношению ко времени его закрытого состояния будет коррелировать с заполнением ШИМ. За скважность шим отвечает переменная rate, 255 rate = 100% ШИМ. При частоте тактирования 1.2 МГц и предделителе таймера в 1, частота ШИМ будет равна 1200000/256 = 4.7 КГц. Поскольку это частота звуковая (воспринимаемая человеческим ухом), на некоторой скважности ШИМ драйвер может начать пищать (точнее, пищит не драйвер, а провода, либо элементы питания). Если мешает, можно увеличить рабочую частоту до 9.6 (CKSEL[1:0]=10, CKDIV8=1) или 4.8 МГц (CKSEL[1:0]=01, CKDIV8=1), тогда частота ШИМ будет в 8 или в 4 раза больше, но энергопотребление МК так же вырастет пропорционально.

Считается, что диод нужно питать путем стабилизации тока через него, а в таком режиме он быстро выйдет из строя. Тут я соглашусь и скажу, что у меня в фонаре (да и во многих налобниках аналогичной конструкции) светодиод не подключается напрямую к драйверу, а до него идут достаточно длинные и тонкие провода, сопротивление которых, а так же внутреннее сопротивление батареи и сопротивление драйвера ограничивают максимальный ток в районе 1.5 А, что в 2 раза меньше максимального тока для данного светодиода (максимальный ток для Cree XM-L согласно документации — 3 А). Если у Вас драйвер подключен к светодиоду короткими проводами и у держателя батареи хорошие контакты, ток при максимальной яркости (rate=255) может превышать значение в 3А. В этом случае данный драйвер Вам скорее всего не подойдет, так как есть риск выхода светодиода из строя. Тем не менее, можно скорректировать параметр RATE_MAX до получения приемлемых значений тока. К тому же, хоть по спецификации транзистора SI2323DS его максимальный ток и превышает 4 А, лучше выставить порог в 2 А, иначе драйверу может потребоваться охлаждение.

Гамма-коррекция

Человеческий глаз воспринимает яркость объектов нелинейно. В случае с этим драйвером, разница между 5-10% ШИМ будет восприниматься как многократное увеличение яркости, тогда как разница между 75-100% будет практически не будет заметна глазу. Если увеличивать яркость светодиода равномерно, со скоростью n процентов в секунду, будет казаться, что в начале яркость очень быстро растет от нуля до среднего значения, затем очень медленно увеличивается от середины до максимума.

Это весьма неудобно, и для компенсации этого эффекта пришлось сделать упрощенный алгоритм гамма-коррекции. Его суть в том, что шаг изменения яркости увеличивается от 1 при минимальных значениях ШИМ до 12 при максимальных значениях. В графическом представлении это выглядит как кривая, точки которой сохранены в массиве rate_step_array. Таким образом, кажется, что яркость изменяется равномерно на всем диапазоне.

Контроль напряжения батареи

Каждые n-секунд (за интервал в миллисекундах отвечает параметр BAT_PERIOD) происходит замер напряжения батареи. Положительный контакт батареи, который подключается к VIN и попадает на резисторный делитель R1-R2, к средней точке которого подключен пин PB4 (он же ADC2 у мультиплексора АЦП).

Поскольку напряжение питания изменяется вместе с измеряемым напряжением, не получится измерить его, использовав в качестве опорного напряжения Vref, поэтому в качестве ИОН я применил внутренний источник на 1.1 В. Как раз для этого и нужен делитель — МК не может измерить напряжение, большее чем напряжение опорного источника (так, напряжению 1.1 В будет соответствовать значение АЦП в 1023 или 255, если использовать 8-битное разрешение). Проходя через делитель, напряжение в средней его точке будет в 6 раз меньше входного, значению 255 будет соответствовать уже не 1.1 В, а целых 4.33 В (делитель на 4.03), что с запасом покрывает диапазон измерений.

В итоге получается некоторое значение, которое дальше сравнивается с предустановленными значениями минимальных напряжений. При достижении значения BAT_WARNING светодиод начинает мигать некоторое количество раз (чем сильнее разряжено, тем больше мигает — за это отвечает BAT_INFO_STEP, подробнее в коде), а при достижении BAT_SHUTDOWN драйвер отключается. Значение АЦП переводить в милливольты я не вижу смысла, т.к. это тратит лишную память, которой в тиньке и так мало.

Кстати, делитель является основным потребителем питания, когда МК находится в режиме сна. Так, делитель на 4.03 с R1 = 1M и R2 = 330К, будет иметь общее R = 1330K и ток утечки при 4 В = 3 мкА. На время измерения напряжения нагрузка (светодиод) отключается примерно на 1 мс. Это почти не заметно для глаз, но помогает стабилизировать напряжение, иначе измерения будут некорректные (а делать какие-либо поправки на скважности шим и прочее — слишком сложно).

Внесение изменений в прошивку

Это нетрудно сделать, особенно если был опыт работы с Arduino или просто с C/C++. Даже если такого опыта не было, можно настроить почти все рабочие параметры путем редактирования определений (defines) заголовочного файла flashlight.h. Для редактирования исходного кода нужно будет поставить Arduino IDE с поддержкой Attiny13(a) или Atmel Studio – оно не сложнее, чем Arduino IDE, но гораздо удобнее.

Arduino IDE

Сперва необходимо будет установить поддержку Attiny13 в IDE. Достаточно подробная инструкция имеется в этой статье. Далее нужно выбрать в меню Tools>Board Attiny13(a) и в меню Tools>Frequency 1.2MHz. «Скетч» содержится в файле с расширением .ino, он содержит всего одну строчку кода — это включение в проект заголовочного файла. По сути дела, данный скетч — просто способ скомпилировать прошивку через Arduino IDE. Если Вы захотите внести в проект какие-либо изменения, работайте с файлом .cpp. После открытия проекта нужно нажать на галочку, пойдет компиляция, в случае успеха в логе будет ссылка на файл *.hex. Его нужно залить в микроконтроллер по инструкции ниже.

Atmel Studio

Проект для этого IDE содержится в файле flashlight.atsln, а исходники — в файлах flashlight.h содержит определения (настройки) и flashlight.cpp содержит собственно код. Расписывать более подробно содержимое исходников не вижу смысла — в коде полно комментариев. После внесения изменений в код надо нажать F7, прошивка скомпилируется (или нет, тогда компилятор укажет, где ошибка). В папке debug появляется flashlight.hex, который можно загрузить в микроконтроллер по инструкции ниже.

Загрузка прошивки в микроконтроллер

Для загрузки прошивки и настройки фьюзов я использую программатор USBASP в сочетании с программой AVRDUDEPROG. Программа представляет из себя подобие GUI для программы avrdude, есть удобный встроенный калькулятор фьюзов — достаточно поставить галочки возле нужных битов. В списке контроллеров нужно выбрать подходящий (в данном случае Attiny13(a), зайти на вкладку Fuses и нажать кнопку read. Только после того, как значения фьюзов считаны из МК, можно их изменять. После изменения нужно нажать programm, новые фьюзы будут записаны в МК. Подходящие значения фьюзов записаны в файле flashlight.h

Для заливки прошивки надо перейти на вкладку Program, в строке Flash выбрать скомпилированный файл прошивки в формате HEX (flashlight.hex) и нажать Program. Статус прошивки будет отображаться в окне снизу. Если загрузка неудачна, возможно дело в плохом контакте, так бывает — стоит попробовать еще раз. Кстати, именно для этого был сделан параметр STARTBLINKS — однократное мигание LED2 в момент подачи питания на драйвер служит индикацией контакта драйвера с программатором. Вместо USBASP для загрузки прошивки можно использовать Arduino, подробнее тут и тут

Программатор USBASP, подключенный к драйверу через клипсу со шлейфом

Для подключения USBASP к тиньке я использую клипсу под 8-контактный SOIC. Не очень удобное приспособление, приходится помучаться минут 10, прежде чем поймаешь контакт (возможно, мне просто попалась бракованная клипса). Бывают так же адаптеры SOIC-DIP, куда вставляется микросхема до пайки и в нее заливается прошивка — этот вариант удобнее, но теряется возможность программировать драйвер внутрисхемно (то есть обновлять прошивку после пайки МК на плату). Если всего этого нет, то можно просто припаять проводки к выводам МК, которые затем прикрепить к Arduino.

Калибровка

Токи, проходящие через драйвер и светодиод, не должны превышать максимальных значений. Для светодиода XM-L это 3 А, для драйвера оно зависит от используемого транзистора, например для SI2323 максимальный ток около 4 А, но лучше гонять на меньших токах из-за чрезмерного нагрева. Для уменьшения тока на максимальной яркости используется параметр RATE_MAX (#define RATE_MAX xx, где xx — максимальная яркость от 0 до 255). Калибровка АЦП не является обязательной процедурой, но если хочется, чтобы драйвер точно отслеживал пороговое напряжение, то придется с этим повозиться.

Расчеты не дадут высокой точности измерений, т. к. во-первых, номиналы резисторов могут варьироваться в пределах допуска (обычно 1-5%), а во-вторых, внутренний ИОН может иметь разброс от 1.0 до 1.2 В. Поэтому, единственный приемлемый способ — выставить значение в единицах АЦП (BAT_WARNING и BAT_SHUTDOWN), экспериментально подбирая его под нужное. Для этого понадобится терпение, программатор и регулируемый источник питания. Я выставлял в прошивке значение BAT_PERIOD в 1000 (проверка напряжения раз в секунду) и постепенно снижал напряжение питания. Когда драйвер начинал предупреждать о разряде, я оставлял текущее значение BAT_WARNING как нужное. Это не самый удобный способ, возможно в будущем надо сделать процедуру автоматической калибровки с сохранением значений в EEPROM.