Zasilanie LED wysokiej jasności impulsowymi stabilizatorami napięcia

Pierwsze diody LED, produkowane w latach sześćdziesiątych, świeciły słabiutką podczerwienią, czas ich życia był krótki, a sprawność niska.
Materiał półprzewodnikowy, z którego były początkowo produkowane, węglik krzemu (SiC), został zastąpiony przez fosforek arsenowo galowy (GaAsP), fosforek galu (GaP) fosforek galowo indowy (InGaP), emitujący światło czerwone, potem pomarańczowe, żółte i zielono-żółte. Intensywność świecenia ówczesnych LED predestynowała je do użytku w roli wskaźników, ich sprawność nawet przekraczała sprawność żarówek, ale dla innych zastosowań świeciły za słabo, a zakres kolorów miały zbyt wąski.

Posłuchaj
00:00

Przez długi czas użycie diod świecących w roli źródeł światła w samochodach czy budynkach, ograniczała mała wydajność i brak LED niebieskich, mogących uzupełnić widmo RGB i umożliwić generację światła białego. Dalsze prace z SiC pozwoliły skonstruować niebieskie LED, ale o intensywności dużo za niskiej, aby mogły być użyteczne. W miarę rozwoju technologii rośnie strumień świetlny, jaskrawość, poszerza się paleta barw i wzrasta moc diod dostępnych na rynku. Diody z arsenku aluminiowo galowego (GaAlAs) i arsenku indowo-aluminiowo-galowego (InGaAlAs) wyewoluowały w pierwsze „superjasne” LED.
LED z przeznaczeniem do rzeczywistego oświetlenia pojawiły się we wczesnych latach dziewięćdziesiątych w urządzeniach wytwarzanych przez firmy Nichia, Osram Opto-Semiconductor i Lumileds. Parametry tych urządzeń definiowano w lumenach, używanych w opisach sprzętu oświetleniowego, w przeciwieństwie do kandeli w opisach pojedynczych punktowych źródeł światła. Nowe LED wysokiej jaskrawości (High Brightness LED, HBLED), są zamykane w takich obudowach jak półprzewodniki mocy z użyciem techniki montażu powierzchniowego i podkładek termicznych. Standardowe LED w epoksydowych obudowach mają wysoką rezystancję termiczną pomiędzy złączem a otoczeniem, a stopniowe żółknięcie przeźroczystej obudowy zwiększa straty światła w jej materiale. Dlatego tworzywo epoksydowe jest zastępowane w diodach LED dużej jasności przez materiały silikonowe.
Obecnie są dostępne białe LED-y na wspólnej strukturze półprzewodnikowej, dostarczające 30-50 lumenów przy mocy 1W. LED RGB, z trzema lub więcej strukturami we wspólnej obudowie mocy mogą dostarczać nawet 200 lumenów. Diody wysokiej jasności są w użyciu lub w opracowaniu jako źródła światła w zastosowaniach motoryzacyjnych, przemysłowych i komercyjnych, a także jako podświetlenie w monitorach LCD i telewizorach, jako piksele w zewnętrznych i stadionowych ekranach wideo i w łączności optycznej.

Rys. 1a. Stabilizator stałego napięcia.

Rys. 1b. Stabilizator stałego prądu.

Źródła prądu o stałym natężeniu

Niezależnie od rodzaju, koloru, rozmiaru i mocy, wszystkie LED-y najlepiej pracują, gdy są zasilane prądem o stałym natężeniu. Natężenie emitowanego światła, mierzone w lumenach, jest proporcjonalne do natężenia prądu, zatem producenci diod wiążą ich charakterystyki (natężenie, kształt wiązki, kolor) z określonym natężeniem prądu przewodzenia IF, a nie z napięciem przewodzenia VF. Większość scalonych zasilaczy dostarcza stałego napięcia, niezależnego od natężenia pobieranego prądu (rys. 1a), a przystosowanie stabilizatora napięcia do dostarczania prądu o stałym natężeniu nie zawsze jest łatwe. W przypadku zestawów więcej niż jednej LED zapewnienie każdej diodzie właściwego prądu jest trudne. Łączy się je zatem w szereg, uzyskując jednakowe zasilanie.

Rys. 2a. Czujnik od dolnej strony obwodu, ze wzmacniaczem.

Rys. 2b. Specyficzny układ z czujnikiem od górnej strony obwodu.

Ciepło i światło

Rys. 3. Czujnik od górnej strony obwodu, ze zwierciadłem prądowym PNP.

Wydajność świetlna HBLED już przewyższyła wydajność żarówek. Wydajność optyczna typowej 1-watowej białej LED wynosi 30 lm/W, podczas gdy typowej żarówki 60W 15 lm/W. Przy obecnej generacji LED, zarówno modernizacja systemu zaprojektowanego dla standardowych żarówek, jak i możliwość zastosowania LED z zasilaczem jako zamiennika żarówki, są bardzo trudne. Prawdopodobnie największym obecnie wyzwaniem jest stworzenie kompletnego urządzenia (zasilacz, optyka, radiator), które umożliwiłoby temperaturowe i przestrzenne zastąpienie żarówki.
Podczas gdy żarówka może działać w temperaturze do 200ºC, to zasilacz i dioda wytrzymują maksymalnie 125ºC. Osiągnięcie 150ºC do 175ºC, byłoby możliwe, ale pozostaje jeszcze cena. Wydzielanie określonej energii cieplnej w ograniczonej przestrzeni skutkuje odpowiednim wzrostem temperatury. Jeśli zaś dioda i zasilacz muszą zmieścić się w tej samej przestrzeni co żarówka, a do tego utrzymywać znacznie niższą temperaturę, to ich sprawność musi być wyższa.

Dlaczego przetwornica impulsowa?

Ponieważ do zasilania HBLED jest potrzebne źródło prądowe o wysokiej sprawności i małej mocy traconej, najlepszym takim źródłem jest stabilizator impulsowy. A gdy napięcie wejściowe jest niższe od wyjściowego, staje się on niezbędny.
Przy natężeniu 350mA, typowym prądzie przewodzenia 1-watowych diod, źródło o stałym natężeniu prądu da się utworzyć ze scalonego liniowego stabilizatora, a nawet z liniowego stabilizatora zmontowanego z elementów dyskretnych, ale przy dużej różnicy pomiędzy napięciem wejściowym a napięciem przewodzenia LED, na pośrednim elemencie szeregowym musiałaby być tracona zbyt duża moc.

Rys. 4a. Stabilizator obniżający z kondensatorem wyjściowym.

Rys. 4b. Stabilizator obniżający bez kondensatora wyjściowego.

Można za przykład wziąć liniowy stabilizator w obudowie TO-220, zasilający pojedynczą 1-watową diodę w samochodzie osobowym. Układ musi działać poprawnie w zakresie od 9V do 17V, napięcie wyjściowe wynosi około 3,5V. Przy stałym natężeniu 350mA, w tranzystorze szeregowym wydziela się około 4W. Przyjmując typową rezystancję termiczną pomiędzy złączem a otoczeniem 53ºC/W i mnożąc tę wielkość przez traconą moc, otrzymuje się temperaturę struktury półprzewodnikowej wyższą od 200ºC. Nawet przy temperaturze otoczenia 25ºC, stabilizator liniowy wymagałby dużego i kosztownego radiatora. Dla tej aplikacji przestrzeń jest ograniczona, a układ musi działać w temperaturze do 85ºC. A do tego LED zwykle dzieli płytkę drukowaną z obwodami zasilacza.

Czujnik prądu od dolnej i górnej strony zasilania

Zobacz więcej w kategorii: Technika
Komunikacja
Obecność online firm przemysłowych: od wizytówki do funkcjonalnej strony internetowej
Komponenty
Temperatura jako kluczowy czynnik w nowoczesnej motoryzacji: rola materiałów termoprzewodzących
Zasilanie
Dobór przekaźników do bezpiecznych stacji ładowania BEV - normy, wymagania i rozwiązania
Optoelektronika
Diody SPAD
Zasilanie
Kompensacja mocy biernej
Komponenty
Komory parowe - przełom w zarządzaniu temperaturą nowoczesnej elektroniki
Zobacz więcej z tagiem: Artykuły
Magazyn
Kwiecień 2026
Targi krajowe
Targi Euro Target Show 2026
Magazyn
Marzec 2026

Jak kompensować moc bierną w małej firmie, by płacić mniej za energię bierną?

Z reguły małej firmy nie stać na zakup automatycznego kompensatora mocy biernej. Niemniej, sytuacja nie jest bez wyjścia i w tym artykule na prostym przykładzie pokazane zostało podejście do rozwiązania problemu mocy biernej.
Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów