Простые линейные стабилизаторы тока для светодиодов своими руками

Светодиодные светильники выполняют свои функции полноценно при качественном питании. Даже незначительные колебания силы тока в цепи провоцируют видимые пульсации, ухудшают долговечность. Аналогичные задачи решают в процессе зарядки аккумуляторных батарей. Для корректного решения обозначенных и других проблем подойдет стабилизатор тока на транзисторе. Самостоятельная сборка поможет обеспечить рабочие параметры устройства в точном соответствии с техническим заданием. Представленные ниже сведения пригодятся для выбора оптимальной электрической схемы.

Подключение мощного светодиода к сети питания через специализированный интегральный стабилизатор

Виды стабилизаторов

В простейшем варианте применяют ограничитель сил тока из резистора, установленного последовательно в цепь со светодиодом. Стандартные приборы подключают к источникам 5V (12V). Увеличивая напряжение, можно улучшить точность, однако при этом снизится КПД.

Стабилизатор напряжения на транзисторе

Максимальные значения электрических параметров источника должны быть на 10% больше рабочих значений светодиода. Падение напряжения указано в сопроводительной документации. Для расчета резистора (R) применяют следующую формулу:

(Uп — Uc)/ Iпот,

где:

• Uп – напряжение источника питания;
• Uc – падение на светодиоде;
• Iпот – ток потребления.

Пример:

• Uп = 5 V;
• Uc = 2,5 V;
• Iпот = 0,25 А;
• R = (5-2,5)/0,3 ≈ 8,33 Ом;
• ближайший номинал – 8,45 Ом;
• мощность резистора = 0,3*0,3*8,45 ≈ 0,75 Вт.

К сведению. Последняя строка расчета наглядно демонстрирует энергетические потери. Нагревающийся резистор будет повышать температуру окружающей среды.

Усовершенствованные схемы собирают из следующих компонентов:

• трансформатором изменяют нужным образом амплитуду сигнала;
• для выпрямления применяют обычный мостик из диодов;
• конденсаторами сглаживают пульсации;
• резисторами ограничивают выходные токи.

Транзисторный стабилизатор напряжения и тока отличается экономичностью. Электрическое сопротивление во входной цепи устанавливают в качестве датчика. Этот компонент дополняет стабилитрон. Изменение напряжения на эмиттере позволяет регулировать выходные параметры автоматически без контроля и вмешательства со стороны пользователя.

Аналогичные функции вместо стабилитрона способен выполнить эмиттерный переход биполярного транзистора при соответствующем включении в электрическую схему.

Вместо набора из нескольких радиодеталей удобнее пользоваться специализированными микросхемами. Такие изделия обеспечивают высокую точность поддержания рабочих параметров выходного сигнала. Как в примере со стабилитроном, в определенной цепи устанавливают резистор для оперативного детектирования изменения силы тока.

Отдельно следует отметить импульсные схемы стабилизаторов. Такие изделия создают на основе быстродействующих электронных ключей. Главной особенностью является возможность оперировать с относительно высокими значениями выходных напряжений.

Схема подключения LM317 – стабилизатор напряжения

Как было сказано выше, LM317 может обеспечить любое напряжение на выходе в диапазоне от 1,2 до 37 В. Для того чтобы получить необходимое выходное напряжение, нам необходимо подключить всего два резистора, образующие делитель напряжения.

В зависимости от сопротивления этих резисторов можно получить разное выходное напряжение. Ниже приведена типовая схема подключения LM317 в качестве стабилизатора напряжения, взятая из datasheet:

Формула расчета выходного напряжения следующая:

VO = VREF * (1 + R2/R1)

• VO — выходное напряжение.
• VREF — опорное напряжение по datasheet (1,25 В).
• R2 и R1 — резисторы делителя напряжения.

Сопротивление резисторов для разных напряжений:

• 3 вольта — R1 (240 Ом) и R2(336 Ом).
• 3,3 вольта — R1 (240 Ом) и R2(394 Ом).
• 5 вольт — R1 (240 Ом) и R2(720 Ом).
• 9 вольт — R1 (240 Ом) и R2(1488 Ом).
• 12 вольт — R1 (240 Ом) и R2(2064 Ом).
• 24 вольта — R1 (240 Ом) и R2(4368 Ом).

Онлайн калькулятор LM317 — расчет напряжения

Для облегчения вычислений ниже представлен онлайн калькулятор для расчета сопротивления резисторов стабилизатора LM317. В данном калькуляторе предусмотрено два варианта расчета:

• Первый вариант: зная необходимое выходное напряжение и сопротивление резистора R1 можно рассчитать сопротивление резистора R2.
• Второй вариант: зная сопротивления обоих резисторов R1 и R2 можно рассчитать выходное напряжение.

Простой стабилизатор тока на транзисторе

Схема стабилизатора тока на полевом транзисторе

Параметры компонентов и рабочие характеристики схемы:

• R1 выбирают 1-15 Ом;
• R2 – от 150 до 250 Ом;
• D1 – стабилитрон или резистор подходящего номинала;
• Q1 – КТ 818 или аналог;
• напряжение источника питания – от 8 до 40 V;
• ток на выходе – 0,5-4,5А.

Пояснения:

• R2 и D2 формируют стандартный делитель напряжения;
• изменением потенциала на базе корректируется ток в цепи коллектора;
• при подключении мощной нагрузки R1 сильно нагревается;
• для точной регулировки выходных параметров устанавливают переменное сопротивление R2 (изменяют порог насыщения на соответствующем полупроводниковом переходе);
• при необходимости увеличивают выходной ток с применением составного транзистора.

Если расчет сделан точно, в рабочем диапазоне стабилизация тока выполняется с минимальными потерями. Простую схему несложно изготовить собственными руками даже без предыдущего опыта сборки.

Характеристики LM317t

Приведем основные параметры стабилизатора LM317:

• Входное напряжение, max: 40 В.
• Выходное напряжение, min: 1,25 В.
• Опорное напряжение (Vref): от 0,1 до 1,3 В.
• Ток нагрузки, max: 1,5 А.
• Нестабильность выходного напряжения: 0,1 %.
• Ток Adj: 50…100 мА.
• Корпус: TO-220, TO-92, TO-3, D2PAK.

Подробные параметры смотрите в datasheet на русском языке, который можно скачать в конце статьи.

Сборка стабилизатора тока из двух транзисторов

Стабилизатор тока на LM317 для светодиодов

В этой схеме функции датчика выполняет резистор R2. Его номинал при подключении светодиодов выбирают с помощью формулы:

0,6/ Iн (ток в нагрузке).

Увеличение Iн открывает VT2, который, в свою очередь, запирает переход транзистора VT1.

Недостатком схемы специалисты считают существенное падение напряжения на основном транзисторе. При подключении нескольких светодиодов проблемы не возникают. Однако по мере увеличения нагрузки приходится ставить VT1 на крупный радиатор, обеспечивать эффективную вентиляцию рабочего объема. Подобные решения используют для создания мощных зарядных устройств.

Конструкция и принцип работы

Простейшее устройство состоит из трансформатора, выпрямительного моста, соединенного с резисторами и конденсаторами. Действие стабилизатора основывается на следующих принципах:

• подача тока на трансформатор и изменение его предельной частоты до частоты электросети – 50 Гц;
• регулировка напряжения на повышение и понижение с последующим выравниванием частоты до 30 Гц.

В процессе преобразования также задействуются выпрямители высоковольтного типа. Они определяют полярность. Стабилизация электрического тока осуществляется при помощи конденсаторов. Для снижения помех применяются резисторы.

Реле тока на микросхемах импульсных стабилизаторов

Для уменьшения потерь и поддержания широкого рабочего диапазона применяют готовые решения. В этом разделе представлен импульсный стабилизатор тока на микросхеме MAX771.

Контрольное напряжение подают с делителя (R1, R2). Если превышен установленный производителем уровень, автоматически корректируются выходные параметры.

Модифицированные модели устройств

Максимальный ток нагрузки у данного типа воспринимается до 4 А. Входное напряжение конденсатором способно обрабатываться до отметки не более 15 В. Параметр входного тока у них обычно не превышает 5 А. Пульсация в данном случае допускается минимальная с амплитудой в сети не более 50 мВ. Частоту при этом можно поддерживать на уровне 4 Гц. Все это в конечном счете благоприятно отразится на общем коэффициенте полезного действия.

Современные модели стабилизаторов вышеуказанного типа справляются с нагрузкой в районе 3 А. Еще одной отличительной чертой данной модификации можно назвать быстрый процесс преобразования. Во многом это связано с использованием мощных транзисторов, которые работают со сквозным током. В результате открывается возможность стабилизировать выходной сигнал. На выходе дополнительно задействуется диод коммутирующего типа. Устанавливается он в системе вблизи узла напряжения. Потери при нагревании значительно уменьшаются, и это является явным преимуществом стабилизаторов данного типа.

Как сделать светодиодный стабилизатор

Простую конструкцию из резистора, конденсатора и стабилитрона можно собрать буквально за несколько минут. Используют универсальную монтажную плату или навесной способ сборки. Номинал электрического сопротивления выбирают с учетом параметров нагрузки. При необходимости устанавливают самодельный радиатор из подходящей алюминиевой пластины.

Типовая схема включения LM317t

примечание к схеме

• Резисторы R1 и R2 необходимы для установки выходного напряжения.
• Конденсатор Cadj рекомендуется для подавления пульсаций. Предотвращает усиление пульсаций при увеличении выходного напряжения.
• Конденсатор C1 рекомендуется если LM317 не находится в непосредственной близости возле конденсаторов фильтра источника питания. Керамический или танталовый конденсатор емкостью 0,1 мкФ или 1 мкФ будет достаточным.
• Конденсатор Co улучшает переходную характеристику, но не влияет на стабильность.
• Рекомендуется использовать защитный диод VD2, если используется Cadj.
• Рекомендуется использовать защитный диод VD1, если используется Cо.

Стабилизаторы тока на микросхемах

Применение такой элементной базы несколько увеличивает себестоимость проекта. Однако использование качественных микросхем обеспечивает хорошие стабилизационные характеристики в широком диапазоне входных параметров. С учетом хороших показателей эффективности можно рассчитывать на небольшое потребление электроэнергии.

TL431

В левой части рисунка показана схема типового подключения микросхемы TL 431 (DA1). Отмечена главная функция – поддержание напряжения 2,5 V на контрольном резисторе.

Такая конструкция пригодна для последовательного подключения нескольких десятков светодиодов суммарной мощностью 12-14 Вт. Силовые компоненты подбирают с учетом реальных потребностей. В представленном примере падение напряжения на транзисторе составит 25-35V. Рассеивается не более 1,75 Вт. В таком варианте радиатор не требуется.

Резистор на входе (R3) предотвращает повреждение конденсатора при включении блока в сеть. Ток в нагрузке ограничивает безопасным уровнем сопротивление R3. При выборе светодиодов специалисты рекомендуют делать запас по мощности, чтобы продлить срок службы одновременно с уменьшением тепловыделения.

LM7805, LM7812

В представленном ниже варианте схемотехники следует повысить входное напряжение. Его уровень должен быть больше на 2,5-3V, чем номинал стабилизации данной микросхемы.

В примере показан стабилизатор напряжения постоянного тока, который рассчитан на 9-11 Вт подключаемой нагрузки.

LM317

При подключении нагрузки 28-30 Вт эта микросхема обеспечивает стабилизацию тока 100 мА. Диапазон входного напряжения – от 207 до 240 V.

В таблице на рисунке представлены значения регулировочного резистора, соответствующие определенным выходным параметрам.

При выборе подходящей схемы следует учесть в комплексе:

• минимальные и максимальные напряжения в цепи питания;
• точность стабилизации;
• эффективность устройства;
• сложность изготовления определенной конструкции собственными руками;
• стоимость комплектующих деталей, расходных материалов.

Заранее рекомендуется подготовить перечень инструментов, приспособлений, измерительных приборов. Аккуратное выполнение рассмотренных выше инструкций поможет создать функциональный стабилизатор без ошибок и лишних затрат.

О соотношении размеров инерционного стабилизатора

При отклонении камеры от горизонтальной оси, оператор вынужден фиксировать ручку стабилизатора в руке. Момент силы, передающийся руке оператора, прямо пропорционален длине вертикальной планки и весу камеры, и обратно пропорционален диаметру ручки. Поэтому, удобство управления камерой зависит от диаметра ручки. Для улучшения тактильных ощущений о положении ручки в руке, полезно сделать на ней небольшие концентрические углубления.

Нужно сказать, что размеры каждой детали стабилизатора, являются компромиссом между теми или другими параметрами устройства.

Например, чем тоньше ручка, тем труднее стабилизировать стедикам при ускорении, но чем толще ручка, тем слабее тактильное ощущение горизонта.

Другим компромиссом является выбор между размерно-весовыми показателями конструкции и качеством стабилизации. Чем длиннее горизонтальная планка и тяжелее грузики на её концах, тем выше качество стабилизации. Однако, при увеличении длины горизонтальной планки, её конец может попасть в поле зрения объектива, а увеличение веса делает переноску оборудования малокомфортной. Я не рекомендую увеличивать вес снаряжённого стабилизатора более 2,5кг, а предельный размер лучше подогнать под любимый кофр.