Zasilanie LED wysokiej jasności impulsowymi stabilizatorami napięcia

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 I_F, a nie z napięciem przewodzenia V_F. 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

Odczyt z czujnika stosunkowo dużego natężenia prądu nie jest niczym nowym w stabilizatorach impulsowych, ale czujników o dokładności wymaganej w zasilaczu dla LED nie spotyka się w układach stabilizacji napięcia. W zasadzie, aby spełnić wymagania zasilania dla diod wysokiej jasności, tolerancja natężenia prądu wyjściowego stabilizatora musi się znaleźć w granicach od ±4% do ±15%. Jest to znacznie dokładniej niż wynosi tolerancja w wielu stabilizatorach. Szeregowy rezystor jako czujnik prądu staje się niezbędny, gdy tolerancja prądu wyjściowego dorównuje tolerancji napięcia wyjściowego.

Rys. 5. Obliczanie impedancji wyjściowej i tętnień.

Problem z odczytem sygnału czujnika prądu polega na tym, aby był dokładny i skuteczny, dwa wymagania bezpośrednio ze sobą sprzeczne. Odnosząc się do rys. 1b, im wyższe odczytywane napięcie, V_FB, tym wyższy jest stosunek sygnału do szumu, ale tym wyższe są także straty w R_FB. Im niższe jest odczytywane napięcie, tym więcej oszczędza się mocy, ale odbywa się to kosztem czułości na szumy, a także szerszej tolerancji samego odczytywanego napięcia. Źródła wzorcowe z pasmem zabronionym stanowią logiczny wybór dla stabilizatorów stałego natężenia prądu, ale ich napięcie około 1,2V oznacza, że przy 350mA w R_FBwydzielałoby się 0,42W. W obecnych diodach płynie prąd 700mA, czy 1A, co wymaga rezystorów o mocy 1W i wyższej. W HBLED, skonstruowanych w jednej strukturze, przewidziany prąd może przekraczać 2A. Wydzielanie dużej mocy w połączeniu z dużą dokładnością i niskim współczynnikiem temperaturowym windują cenę rezystorów. Napięcie odczytywane z czujnika winno być zatem niższe. Jeśli napięcie wzorcowe będzie pobierane za pośrednictwem dzielnika, a sygnał odczytu prądu wzmacniany, dojdą dodatkowe błędy, a stosunek sygnału do szumu zmaleje.

Schemat na rys. 1b pokazuje prosty sposób kontrolowania prądu za pomocą stabilizatora napięcia. W takim układzie, z czujnikiem prądu w dolnej stronie obwodu, rezystor R_FB wydziela znaczną moc, a od jego tolerancji zależy dokładność I _F. Rezystory większej mocy są duże i drogie, a powstające w nich ciepło może migrować do LED. Na rys. 2a przedstawiono prosty sposób wzmacniania sygnału czujnika prądu za pomocą wzmacniacza operacyjnego, zasilanego pojedynczym napięciem. Metodą tą redukuje się stres termiczny R_FB i pozwala projektantowi wybrać jego rezystancję. Średnią wartość prądu I_F i stosunek sygnału do szumu ustala się wtedy za pomocą wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego, opierając się na dopuszczalnej mocy rozpraszanej w R _FB.

Rezystor czujnika prądu może także zostać umieszczony w górnej stronie obwodu zasilania, pomiędzy wyjściem stabilizatora a anodą zespołu LED, analogicznie do układów stosowanych w licznych przetwornicach obniżających (buck). Układ ten jest pokazany na rys. 2b. Jego główną zaletą jest możliwość połączenia z masą katody ostatniej LED. W systemach zdalnie zasilających zespoły LED, ze wspólną masą systemu, jak w samochodowej instalacji elektrycznej, eliminuje on jedno połączenie i czyni system prostszym i tańszym. Odczyt z czujnika od górnej strony obwodu wymaga jakiegoś rodzaju wzmacniacza różnicowego. Może to być scalony wzmacniacz operacyjny, musi on jednak łączyć wysoki współczynnik tłumienia sygnału wspólnego (CMMR) z małym niezrównoważeniem wejścia. Tanie układy odczytu różnicowego można także wykonać z tranzystorów dyskretnych, jak w przykładzie na rys. 3.

Najlepszy jest stabilizator obniżający

Rys. 6. Reakcja na przyciemnianie przez wyprowadzenie zezwalania układu scalonego.

Standardowa przetwornica obniżająca, pokazana na rys. 4a, dzięki indukcyjności na wyjściu jest idealnym systemem zasilania prądem o stałym natężeniu. Wartość tętnień prądu w indukcyjności, Δi_L, jest wielkością kontrolowaną, znaną w projektowaniu przetwornic obniżających. Jedynie w takich przetwornicach średni prąd w indukcyjności jest równy średniemu prądowi w obciążeniu, czyli I _F w zasilaczach LED. Niezależnie od sposobu stabilizacji, fakt, że prąd wyjściowy w ciągu żadnej części cyklu przełączania nie może się nagle zmienić, bardzo ułatwia konwersję źródła stałonapięciowego w źródło stałoprądowe. Przy zachowaniu ostrożności w szczegółach, wiele opartych na przetwornicy obniżającej źródeł prądu o stałym natężeniu może działać bez żadnego kondensatora wyjściowego.

Projektowanie impulsowych stabilizatorów prądu, tak jak i stabilizatorów napięcia, opiera się na dwóch głównych kryteriach: dokładności średniego poziomu prądu wyjściowego i tętnień, czyli składowej zmiennej prądu (Δi_F), która płynie wraz ze składową stałą. Tolerancja średniego prądu wyjściowego zależy od dokładności obwodów odczytu prądu i od napięcia wzorcowego. Prąd tętnień w LED zależy od napięcia wejściowego, napięcia wyjściowego, częstotliwości przełączania i od samej indukcyjności.

Kontrolowanie prądu wyjściowego, płynącego w obwodzie w trybie przewodzenia nieciągłego (Discontinuous Conduction Mode), jest możliwe, ale przetwornica obniżająca jest dobrze scharakteryzowana i rozumiana, gdy działa w trybie przewodzenia ciągłego (Continuous Conduction Mode). Ponieważ w cewce płynie ten sam prąd stały, co w zestawie LED, a utrzymywanie stałości prądu w LED jest celem podstawowym, działanie w trybie nieciągłym przetwornicy obniżającej, dostarczającej prądu o stałym natężeniu jest jej preferowanym sposobem pracy. Zasilacz prądowy oparty na stabilizatorze obniżającym w trybie z nieciągłym prądem może działać także bez kondensatora wyjściowego, co jest zaletą opisaną poniżej.

Praca bez kondensatora wyjściowego

Niemal każdy stabilizator napięcia, z regulowanym napięciem wyjściowym, może zostać przystosowany do kontrolowania prądu wyjściowego w sposób przedstawiony na rys. 1b. Stabilizator obniżający jest tu jedynym wyborem, ponieważ kondensator wyjściowy nie jest mu potrzebny do dostarczania prądu do obciążenia tak w czasie aktywnym jak i nieaktywnym. Odfiltrowuje on część tętnień, powstających w indukcyjności wyjściowej i wywoływanych przełączaniem i tworzy zbiornik ładunku, zasilającego obciążenie w czasie szybkich stanów przejściowych. Na rys. 4 pokazano dwie wersje zasilacza, zasilanego napięciem 12V 500kHz, mającego dostarczać LED prądu 1A przy napięciu 3,5V. W obu układach Δi _F wynosi 100mA _PP, czyli 10% średniego natężenia prądu. Prąd tętnień w indukcyjności (Δi_L) przetwornicy obniżającej o stałej częstotliwości można oszacować za pomocą dwóch znajomych wyrażeń z danych technicznych układów scalonych przetwornic obniżających:

W obwodach prądu o stałym natężeniu, jak te na rys. 4, napięcie wyjściowe wynosi V_O= V_F+V_FB. W celu obliczenia prądu tętnień płynącego przez LED oraz rezystancji R _FB, pokazanych na rys. 4a, trzeba oszacować impedancje gałęzi LED i kondensatora C _O, przedstawione na rys. 5. W tym układzie, dzięki małej impedancji kondensatora odfiltrowującego większość prądu tętnień, można użyć mniejszej indukcyjności. Przy określaniu dynamicznej rezystancji LED, r_D, trzeba zachować ostrożność, ponieważ w wyniku prostego podzielenia napięcia przewodzenia przez prąd przewodzenia otrzymuje się rezystancję pięć do dziesięciu razy wyższą od rzeczywistej r_D. Parametr ten jest podawany przez niektórych producentów w danych technicznych, ale daje się także oszacować, biorąc odwrotność nachylenia charaky na rys. 9a. Kontrolowanie prądu wyjściowego jest powodem znaczącej zmiany w ukra obniżającego napięcie wyjściowe może wzrosnąć do napięcia wyjściowego, pomnożonego przez maksymalny współczynnik wypełnienia. Ponieważ w licznych źródłach prądowych, opartych na stabilizatorach obniżających, nie ma kondensatora wyjściowego albo jego pojemność jest mała, można ich obwód wyjściowy przystosować do maksymalnego napięcia wejściowego i pozwolić, aby napięcie wyjściowe w warunkach rozwarcia wzrastało do tej wartości. Przy niewielkim lub zerowym prądzie, stres termiczny jest mało prawdopodobny. Obecnie typowy kompletny układ stabilizatora impulsowego kosztuje mniej niż pojedyncza dioda mocy, więc produkowane moduły będą raczej wyrzucane niż naprawiane w razie uszkodzenia LED.

W przypadku przetwornic podwyższających lub obniżająco-podwyższających, napięcie wyjściowe w rozwartym układzie jest nieokreślone i może przekroczyć wartość dopuszczalną dla układu scalonego stabilizatora, dla półprzewodnika mocy, czy dla filtru wyjściowego. Prostym sposobem zabezpieczania układu przed niekontrolowanym wzrostem napięcia jest umieszczenie diody Zenera pomiędzy jego wyjściem a wejściem sprzężenia zwrotnego, korzystając z komparatora nadnapięciowego, znajdującego się w wielu stabilizatorach impulsowych. Sposób ten jest zilustrowany na rys. 7a. Na rys. 7b pokazano metodę alternatywną, w której korzysta się z równoległego MOSFET-a, używanego w systemach z impulsowym przyciemnianiem wielkiej częstotliwości.

Obniżanie temperatury dopuszczalnej

Rys. 7a. Wewnętrzny komparator nadnapięcia (OVP), z diodą Zenera.

Aby zabezpieczyć długi czas życia diod mocy, trzeba zapewnić ich strukturom półprzewodnikowym nieprzekraczalność wyznaczonej przez producenta temperatury dopuszczalnej. LED Luxeon firmy Lumileds zachowują 70% jaskrawości po 50 000 godzin pracy, jeżeli temperatura ich struktury nie przekracza 90ºC. W danych technicznych diod można znaleźć specjalne krzywe, ilustrujące jak należy obniżać natężenie prądu przewodzenia w zależności od wzrostu temperatury otoczenia. Istnieją stabilizatory impulsowe, dokonujące tego automatycznie. Pokazany na rys. 8 układ ilustruje sprawdzoną metodę liniowego obniżania natężenia prądu w LED za pomocą sygnału taniego czujnika temperatury, połączonego z wejściem sterującym zasilacza. Wejście to jest de factodrugim wejściem, nieodwracającym, wzmacniacza błędu, zastępującym napięcie wzorcowe, jeśli tylko napięcie wejściowe stanie się od niego mniejsze. Tę samą metodę można zastosować z użyciem termistora NTC.

Napięciowe stabilizatory obniżające

Napięciowy stabilizator obniżający z kondensatorem wyjściowym i prawdziwym wzmacniaczem operacyjnym, wzmacniającym sygnał błędu, jest pokazanów prądu. Wiele z nich dotyczy prądowych stabilizatorów ładzie kompensatora, gdyż r _Djest o kilka rzędów wielkości mniejsza od górnego rezystora sprzężenia zwrotnego, związanego zwykle ze sterowaniem napięciem wyjściowym. Rezystor R₂na schemacie na rys. 9a służy do zwiększania rezystancji pomiędzy wyjściem układu a wejściem odwracającym wzmacniacza błędu, podnosząc pojemność kondensatora kompensacyjnego z zakresu pF do nF. Duża impedancja R₂zapewnia oprócz tego dogodny punkt wprowadzania sygnału napięcia zmiennego do analizy pętli sterowania za pomocą analizatora obwodów. Tłumienie napięcia stałego R_FB/(R_FB+ r_D) może być użyte do dopasowywania symulacji do charakterystyk Bodego, zdejmowanych przez wprowadzanie sygnału pomiędzy R₂i r_D.

Dla zachowania dokładności napięcia wyjściowego jest niezbędne duże wzmocnienie stałoprądowe, ale większość zasilaczy LED z definicji nie wymaga szybkiej reakcji na stany nieustalone. Dla takich układów stosowana jest kompensacja o małym paśmie, 2 biegunach i 1 zerze (typu II). Aplikacje, w których jedną lub kilka LED w pętli i poza nią przełącza się równoległym MOSFET-em, wymagają szybszej reakcji na zmiany warunków pracy i krytycznego tłumienia. W takich układach jest potrzebny system o 3 biegunach i 2 zerach (typu III). Informacje na temat doboru komponentów kompensacyjnych, z których wiele dotyczy stabilizacji prądu o stałym natężeniu, przy założeniu, że impedancja wejściowa wzmacniacza błędu jest równa R₃(typ II) lub R₃//(R₂+ Z_C3), można znaleźć w różnych publikacjach i notach aplikacyjnych.

Rys. 7b. Zewnętrzny komparator nadnapięcia (OVP), z MOSFETem.

Rys. 8. LM2743 i LM20, automatyczne obniżanie prądu LED ze wzrostem temperatury.

Prądowe stabilizatory obniżające

Stabilizatory prądowe są niemal wyłącznie kompensowane wzmacniaczami transkonduktancyjnymi (gM), które są z definicji źródłami prądowymi. Przyłączenie kondensatora kompensacyjnego bezpośrednio pomiędzy wyjściem gM a masą tworzy układ całkujący, ale ładowanie i rozładowywanie tego kondensatora ogranicza zmiany napięcia wyjściowego gM. W szereg z kondensatorem kompensacyjnym musi zostać włączony rezystor w celu powstrzymywania kolizji dużej szybkości narastania wzmacniacza błędu z reakcją na mały sygnał. Reakcję wzmacniacza błędu gM, z obwodem RC do masy, reprezentuje biegun małej częstotliwości i zero wyższej częstotliwości, obecne w większości stabilizatorterystyki prądowo-napięciowej LED. Dynamiczna rezystancja LED daje się również zmierzyć analizatorem obwodów, jest to jednak czasochłonne i wymaga kosztownego sprzętu. LED na rys. 4 jest białą diodą Luxeon III firmy Lumileds, a jej typowa rezystancja r_D wynosi 0,65Ω.

W innych przetwornicach, jak podwyższająca (boost), zaporowa (flyback) i Sepic przez część cyklu przełączania napięcie wyjściowe jest podtrzymywane przez kondensator wyjściowy, bez którego stabilizatory te nie mogą być używane. Właściwość ta utrudnia używanie ich do regulacji jasności LED za pośrednictwem modulacji szerokości impulsów.

Metody regulacji jasności za pomocą PWM

Przyciemnianie za pomocą PWM jest przyjętym sposobem redukowania natężenia światła. Natężenie to zmienia się proporcjonalnie do natężenia prądu I_F, ale dominująca barwa emitowanego światła zmienia się nieco również. Liniowe przyciemnianie jest stosowane w tych aplikacjach, w których taką zmianę barwy uważa się za akceptowalną. Przykładami takich aplikacji mogą być latarki, lampki do czytania i systemy z kilkoma LED, w których rozbieżności koloru i jasności pomiędzy źródłami światła nie są zauważalne. W takich aplikacjach, jak samochodowe światła hamulcowe, podświetlanie LCD, wymagania co do koloru i jaskrawości są zbyt ścisłe, aby taka zmienność mogła zostać dopuszczona. Zmniejszanie emisji światła w takich aplikacjach, ze ścisłym utrzymywaniem stałości jego koloru, jest możliwe przy znanym i kontrolowanym natężeniu prądu płynącego przez zestaw LED, przerywanym z kontrolowanym współczynnikiem wypełnienia.

Wiele stabilizatorów impulsowych ma wyprowadzenie zezwalające, za pomocą którego można wprowadzić sygnał regulacji jasności (PWM). Jednak tylko nieliczne układy scalone zostały zaprojektowane z myślą o stałym korzystaniu z tego wyprowadzenia do przełączania. Jego włączenie służy do kasowania układu przy włączaniu i do jego płynnego rozruchu, a wyłączenie skutkuje unieruchomieniem, przez wewnętrzną kontrolę układu scalonego, możliwie największego obszaru jego obwodów, w celu zmniejszenia poboru prądu. Opóźnienie spowodowane płynnym rozruchem i czas potrzebny do kasowania przy włączeniu ograniczają maksymalną częstotliwość przyciemniania PWM i użyteczny zakres współczynnika wypełnienia. Obwody płynnego rozruchu i płynnego wyłączania również wprowadzają błąd do średniej wartości emitowanego światła przez zmniejszanie szybkości narastania i pogarszanie kształtu impulsów prądu LED.

Inną metodą modulacji szerokości impulsów prądu źródła prądowego jest przerywanie wejściowego napięcia zasilającego, zwane także „przyciemnianiem teatralnym”, stosowanym zwykle w samochodach osobowych. Dokonuje się tego zazwyczaj z niską częstotliwością, w zakresie 50Hz do 1000Hz. Zarówno tę metodę, jak i użycie wyprowadzenia PWM stabilizatora, trzeba zanalizować dokładnie, aby uniknąć oddziaływania pomiędzy częstotliwościami PWM i przełączania. Oddziaływanie to może być powodem oscylacji stabilizatora. Zwiększenie różnicy tych częstotliwości o ponad dwa rzędy w zasadzie eliminuje to oddziaływanie.

Na rys. 6 przedstawiono wyolbrzymioną reakcję stabilizatora impulsowego na sygnał PWM, przyłożony do wyprowadzenia zezwalania, albo na przerywanie napięcia wejściowego. Wielkości t_D, t_SSi t_SDprzedstawiają odpowiednio opóźnienie rozruchowe, czas narastania (miękki start) i czas opadania (czas wyłączania). Na przykład w stabilizatorze obniżającym ze sterowaniem za pomocą komparatora z histerezę wysterowanie pojedynczej białej LED od 0 do 350mA i z powrotem do 0 może zająć czas t_D, + t_SS+ t_SD= 40μs. Zgodnie z tym, częstotliwość przyciemniania f_PWM= 100Hz tego stabilizatora mogłaby odpowiadać zmianom współczynnika wypełnienia od 0,4% do 99,6%. Gdyby częstotliwość przyciemniania zwiększyć do 1000Hz, to zakres współczynnika wypełnienia zmniejszyłby się do 4% do 96%.

Zakres zastosowań diod LED o dużej jasności poszerzył się o nowe aplikacje, wymagające bardzo dokładnego przyciemniania, zatem użycia częstotliwości przerywania, dorównującej lub przekraczającej częstotliwość przełączania w zasilaczu. Łączność optyczna lub skanowanie podczerwienią przy wykrywaniu przeszkód to przykłady zastosowań, w których trzeba używać częstotliwości 10 do 20MHz. Przewiduje się, że nowa generacja telewizorów LCD będzie wymagała regulacji jasności z częstotliwością około 1000Hz, ale z 12-bitową rozdzielczością, wymagającą minimalnego współczynnika wypełnienia od 0,025% i minimalnego czasu przewodzenia 25μs. W tych układach niezbędne są przełączniki zasilania równoległe do LED. W takim rozwiązaniu utrzymuje się dopływ stałego prądu z przetwornicy, co eliminuje konieczność włączania i wyłączania jej pętli sterowania.

Rys. 9a. Tryb napięciowy, typ III.

Rys. 9b. Bez kondensatora wyjściowego, typ II.

Reagowanie na rozwarcie układu wyjściowego

Dla stabilizatora impulsowego, skonfigurowanego jako źródło prądu o stałym natężeniu, zwieranie zestawu LED nie będzie miało ujemnych skutków. Natomiast, gdy obwód LED zostanie rozwarty, napięcie wyjściowe stabilizatora wzrośnie do maksymalnego. Przerwy w obwodzie diod zdarzają się częściej niż zwarcia, połączenia montażowe ulegają stopieniu w wyniku przetężenia lub z przyczyn termicznych. W przypadku stabilizatoobniżających, kontrolujących prąd wyjściowy, o ile bierze się pod uwagę efekty płaskości wzmocnienia aż do wielkich częstotliwości.

Obniżające stabilizatory z histerezą i COT

Rys. 10. Stabilizator pływający z wejściem zabezpieczonym diodą Zenera.

Przetwornice oparte na komparatorach z histerezą i o stałym czasie przewodzenia sterują wyjściem przez porównywanie sygnału sprzężenia zwrotnego bezpośrednio z napięciem wzorcowym. Histereza takiego komparatora ustala wokół napięcia wzorcowego okienko, w którym wyjście jest utrzymywane. Stabilizatory te są atrakcyjne do sterowania zasilaczami LED z powodu swojej podstawowej stabilności, niezależnej od stopnia mocy. W przeciwieństwie do przetwornic PWM, przetwornice z histerezą nie mają wzmacniacza błędu ani pętli sterujących małym sygnałem i nie analizuje się ich pod kątem widzenia wzmocnienia i fazy. Kontrola prądu wyjściowego, dodanie wzmocnienia stałoprądowego poprzez wzmacniacz operacyjny i zabranie kondensatora wyjściowego nie zmienia ich zachowania. Sterowanie oparte na komparatorze z histerezą są szybsze niż PWM, co jest ważne w układach regulacji jasności.

"Pływające" stabilizatory obniżające

"Pływający" stabilizator obniżający, zwany również ujemnym stabilizatorem obniżającym albo stabilizatorem obniżającym z odniesieniem do wejścia, jest stabilizatorem impulsowym, działającym jak standardowa przetwornica obniżająca. Układ taki jest pokazany na rys. 10. W tej konfiguracji przełączników mocy, cewki, i kondensatora wyjściowego, główny przełącznik jest połączony z masą. Konfiguracja ta upraszcza obwody sterujące przełącznika mocy i czujnika prądu przełącznika i cewki i dostarcza napięcia wyjściowego, odniesionego do napięcia wejściowego zamiast do masy systemu. Pływające obniżające źródła prądu o stałym natężeniu mogą być używane także bez kondensatora wyjściowego, i tak jak standardowe obniżające, muszą z tego powodu działać w trybie nieciągłym prądu w indukcyjności.

Podstawową zaletą pływających przetwornic obniżających z układem scalonym sterownika i zewnętrznym MOSFET-em jest zdolność do działania przy napięciu wejściowym wyższym od maksymalnego dopuszczalnego dla sterującego układu scalonego. Technika ta może być używana także z innymi stabilizatorami z tranzystorem od strony masy obwodu. Do ograniczania napięcia doprowadzanego do układu scalonego stosuje się w tym przypadku (rys. 10) rezystor i diodę Zenera. Tam gdzie to możliwe, w pływających przetwornicach obniżających jako diod usprawniających powinno się stosować diody Schottky’ego. Niskie napięcie przewodzenia tych diod poprawia sprawność wszystkich przetwornic impulsowych, ale w pływających obniżających dodatkowa poprawa sprawności jest skutkiem niemal zerowego czasu regeneracji diody zwrotnej Schottky’ego.

Stabilizatory podwyższające i obniżająco-podwyższające

W miarę jak zastosowania diod o wysokiej jasności coraz szybciej przenoszą się do dziedziny oświetlenia ogólnego, wzrasta wymagana ilość lumenów. Wydajność świetlna diod rośnie, ale pojedynczy element ciągle jeszcze nie emituje światła o natężeniu, wystarczającym do zastąpienia przez nią głównego reflektora w samochodzie, czy nawet świetlówki. Normy bezpieczeństwa dla napięć stałych zapobiegają szeregowemu łączeniu więcej niż dziesięciu diod w jeden łańcuch, ale istnieją aplikacje dla rzeczywiście nieizolowanych przetwornic podwyższających. Z kombinacji tolerancji napięcia wejściowego, tolerancji napięcia przewodzenia LED i potrzeby stosowania szeregowo-równoległych zestawów LED powstaje także zapotrzebowanie na stabilizatory obniżająco-podwyższające. Stabilizatory obniżająco-podwyższające są trudniejsze do przystosowania do sterowania prądem wyjściowym z kilku powodów.
Średni prąd w indukcyjności w przetwornicach podwyższających i obniżająco-podwyższających nie jest równy średniemu prądowi wyjściowemu i zależy od napięcia wejściowego i napięcia wyjściowego. HBLED nie można połączyć szeregowo z indukcyjnością jak w stabilizatorach obniżających. W sterownikach i stabilizatorach z czujnikiem od dolnej strony obwodu, używanych jako podwyższające i obniżająco-podwyższające, z małymi wyjątkami używa się sterowania prądowego PWM.

(KKP)