Zasilacze dla diod LED

W celu zminimalizowania liczby połączeń interfejsu łańcuchy diod LED są łączone równolegle i korzystają z tego samego źródła polaryzującego.

Dwa rodzaje przetworników zasilających

Osiągnięcie wymaganej jaskrawości średnich rozmiarów ekranów LCD wymaga od zasilających je przetworników dostarczenia stabilizowanego prądu w całym zakresie warunków pracy. Stosuje się dwa rodzaje stabilizowanych źródeł zasilania LED: pojemnościową pompę ładunkową i przetwornik impulsowy z indukcyjnością.

W niniejszym artykule opisano układy zasilaczy impulsowych z cewką indukcyjną o mocy od 1W do 6W.

Przetworniki z pompą ładunkową używane są powszechnie do zasilania ekranów LCD w telefonach komórkowych i innych miniaturowych urządzeniach ze względu na niski koszt i łatwość realizacji. Pompy ładunkowe wymagają użycia tylko trzech lub czterech kondensatorów zewnętrznych i nie wymagają żadnej cewki.

Jednak ich zastosowanie ogranicza się do układów małej mocy. Istnieją scalone przetworniki o mocy do 2W, ale ich napięcie wyjściowe nie przekracza około 6V, co pozwala na zasilanie maksymalnie dwóch diod LED połączonych szeregowo. Liczba diod LED zależy od liczby kanałów pompy ładunkowej, która zazwyczaj nie przekracza 6.

Wykorzystanie ich do ekranów średniej wielkości jest ograniczone, ponieważ większa liczba kanałów wymaga większej liczby wyprowadzeń i większej obudowy.

Wybór typu indukcyjnego zasilacza impulsowego jest podyktowany napięciem przewodzenia UP, prądem diod LED i zakresem napięcia zasilającego. Napięcie przewodzenia diod LED zależy od typu diody, prądu przewodzenia i temperatury.

Krytycznym parametrem decydującym o rodzaju zastosowanego zasilacza (liniowego, impulsowego podwyższającego lub obniżającego napięcie) jest najwyższe napięcie UP występujące przy najniższej temperaturze, a także poziom ochrony nadnapięciowej. W niniejszym tekście przyjęto maksymalne napięcie UP równe 3,8V.

Przy wyborze scalonego zasilacza impulsowego podstawowymi parametrami są graniczne natężenie przełączanego prądu, maksymalne napięcie wyjściowe i próg detekcji nadnapięciowej ochrony LED przed rozwarciem. Starannie powinny także zostać dobrane elementy zewnętrzne, indukcyjność i kondensatory.

Przykładowe aplikacje

Rys.1. Przykładowy układ podświetlania modułu LCD 8

Na rys. 1 przedstawiono moduł LCD 8" podświetlany dziewięcioma łańcuchami zawierającymi po trzy białe diody LED. Napięcie na module wynosi 10V (3 x 3,3V). Przy prądzie przewodzenia diody równym 20mA całkowity pobór prądu modułu wynosi 180mA (9 x 20mA), a moc tracona to 1,8W.

W charakterze źródła wejściowego wykorzystano zasilacz sieciowy 5VDC. W tym przypadku najodpowiedniejszym przetwornikiem jest układ indukcyjny.

W pierwszym etapie należy obliczyć natężenie przełączanego prądu, potrzebne przy obciążeniu 2W. Przy założeniu sprawności równej 80% prąd wejściowy wyniesie IWE = IWY/0,8 ∙ UWY/UWE = 0,180/0,8 ∙ 10/5 = 450mA. Graniczne natężenie prądu przełączania indukcyjnego przetwornika scalonego podwyższającego napięcie typu CAT4139 wynosi co najmniej 750mA, tak więc układ nadaje się do tego zastosowania.

Cewka indukcyjna powinna przewodzić szczytowe natężenie przełączanego prądu bez wchodzenia w zakres nasycenia, gdyż zakłóciłoby to pracę przetwornika. Można przyjąć, że cewki o dopuszczalnym natężeniu prądu równym 800mA nadają się do się do tego zastosowania.

Maksymalne napięcie przewodzącej diody LED powinno być niższe od maksymalnego napięcia wyjściowego zasilacza. Przykładowo, napięcie przewodzenia trzech połączonych szeregowo diod LED w niskiej temperaturze może wzrosnąć nawet do 11,4V (3 x 3,8V). Próg detekcji rozwarcia diod LED (24V) jest od niego znacznie wyższy.

Jeżeli diody LED zostaną odłączone, napięcie zasilacza wzrośnie i będzie się utrzymywało na poziomie około 30V, a przetwornik przejdzie w tryb oszczędnościowy pobierając tylko kilka miliamperów prądu. Wystarczającym maksymalnym napięciem kondensatorów będzie 30V.

Innym przykładem jest lampa LED o mocy 6W, zasilana napięciem 12V. Można ją skonstruować z sześciu diod LED o dużej jaskrawości i napięciu przewodzenia 3,3V połączonych szeregowo i zasilanych prądem 300mA. Napięcie przewodzącego łańcucha wyniesie 20V, wzrastając w niskiej temperaturze do 23V (6 x 3,8V).

Jest to zbyt wysokie napięcie dla układu zasilającego CAT4139. Należałoby w tym wypadku użyć zasilacza o wyższym napięciu. Przetwornik ten ma wyższy próg detekcji nadnapięciowej (40V) i może zasilać łańcuchy zawierające do 10 połączonych szeregowo diod LED.

Wybór przetwornika obniżającego

Rys.2. Pięć białych diod LED jest zasilanych ze źródła 24V za pośrednictwem obniżającego stabilizatora prądowego CAT420

Jeśli napięcie wyjściowe zasilacza jest wyższe od całkowitego napięcia przewodzenia modułu LED, prąd może być dostarczany do diod za pośrednictwem liniowego źródła prądowego lub stabilizatora impulsowego obniżającego napięcie. W scalonych liniowych źródłach prądowych wydziela się moc proporcjonalna do różnicy pomiędzy napięciem zasilającym i napięciem wyjściowym, co jest ich istotną wadą.

Sprawność przetworników impulsowych jest wyższa i dlatego takie układy są najczęściej wybierane do zasilaczy.

Schemat z rys. 2 przedstawia układ zasilania pięciu jednowatowych diod LED przez zasilacz 24V za pośrednictwem impulsowego przetwornika obniżającego napięcie. Natężenie prądu w diodach ustala zewnętrzny rezystor R1. Przetwornik działa dwutaktowo. W pierwszej fazie wewnętrzny tranzystor FET łączy wyprowadzenie SW z masą, co powoduje wzrost natężenia prądu i przepływ prądu przez dławik.

Napięcie na indukcyjności wynosi 24V minus spadek napięcia na diodach LED. Gdy natężenie prądu osiągnie wyznaczoną wartość szczytową, wewnętrzny przełącznik zostaje wyłączony, a prąd nadal płynie przez diodę Schottky’ego aż do spadku prądu w dławiku do zera. Następnie cała sekwencja się powtarza, a przebieg prądu w cewce ma kształt trójkątny. Częstotliwość przełączania w opisanym układzie wynosi około 260kHz. Kondensator C2 o dużej pojemności połączony z diodą LED wygładza tętnienia prądu.

Całkowita sprawność przetwornika, czyli stosunek mocy wydzielanej w diodach LED do mocy dostarczanej przez zasilacz wynosi około 94%. Prąd diod LED jest dobrze stabilizowany o ile UBAT > UP + 3V; poniżej tego poziomu maleje liniowo. Stabilizatory impulsowe muszą być poprawnie konfigurowane do każdej aplikacji.

W wysokosprawnych stabilizatorach impulsowych wydziela się niewiele ciepła, toteż nie sprawiają one kłopotów termicznych, a oszczędność zużycia energii jest dla użytkownika korzystna. Zasilacz impulsowy z indukcyjnością ze względu na dobrą stabilizację prądu diod LED i dużą sprawność wydaje się obecnie najkorzystniejszym układem zasilania dla nowoczesnych diod LED.

Natomiast wybór konkretnego układu, topologii obniżającej, czy podwyższającej napięcie jest podyktowany jedynie sposobem zasilania i konfiguracją diod LED.

(KKP)