Jak vybrat driver LED žárovky: druhy, účel + specifika zapojení

LED svítidla získala masové rozšíření, v důsledku čehož začala aktivní výroba sekundárních zdrojů napájení. Driver LED lampy je schopen stabilně udržovat zadané hodnoty proudu na výstupu zařízení, čímž stabilizuje napětí procházející řetězcem diod.

Řekneme vám vše o druzích a principech činnosti zařízení pro přeměnu proudu pro provoz diodové žárovky. V námi navrženém článku jsou uvedeny orientační body pro výběr driveru, jsou poskytnuty užitečné rady. Samostatní domácí elektrikáři u nás najdou v praxi vyzkoušené schémata zapojení.

Účel a oblast použití

Diodové krystaly se skládají ze dvou polovodičů – anody (plus) a katody (mínus), které jsou zodpovědné za transformaci elektronických signálů. Jedna oblast má vodivost P-typu, druhá – N. Při připojení zdroje napájení bude těmito prvky protékat proud.

Díky této polaritě se elektrony z oblasti P-typu řítí do oblasti N-typu a naopak, náboje z bodu N směřují k P. Každá část oblasti má však své hranice, nazývané P-N přechody. Na těchto místech se částice setkávají a vzájemně pohlcují nebo rekombinují.

Dioda patří mezi polovodičové prvky a má pouze jeden p-n přechod. Z tohoto důvodu je hlavní charakteristikou určující stupeň jasu jejich svitu nikoli napětí, ale proud.

Při P-N přechodech se napětí snižuje o určitý počet voltů, vždy stejný pro každý prvek obvodu. S ohledem na tyto hodnoty driver stabilizuje ukazatele vstupního proudu a vytváří na výstupu konstantní hodnotu.

Jaký je požadovaný výkon a jaké hodnoty ztrát při P-N průchodu jsou uvedeny v pasu LED zařízení. Proto je při výběru diodové žárovky nutné zohlednit parametry napájecího zdroje, jejichž rozsah musí být dostatečný pro kompenzaci ztracené energie.

Aby výkonné LED diody odpracovaly uvedenou dobu podle specifikace, je zapotřebí stabilizační zařízení – driver. Na těle elektronického mechanismu je vždy uvedeno jeho výstupní napětí.

Zdroje napájení s napětím od 10 do 36 V se používají k vybavení osvětlovacích zařízení.

Technika může být nejrůznějších druhů:

• světlomety automobilů, jízdních kol, motocyklů atd.;
• malé přenosné nebo pouliční svítilny;
• LED lišty, pásky, stropní žárovky a moduly.

Avšak pro nízkovýkonné LED diody a také v případě použití konstantního napětí není nutné používat drivery. Místo nich se do obvodu vloží rezistor, který je také napájen ze sítě 220 V.

Princip činnosti napájecího zdroje

Pojďme se podívat, v čem spočívají rozdíly mezi zdrojem napětí a napájecím zdrojem. Jako příklad uvažujme schéma zobrazené níže.

Připojíme-li ke zdroji napájení 12 V rezistor o hodnotě 40 Ω, procházet jím bude proud 300 mA (obrázek A). Při paralelním zapojení druhého rezistoru do obvodu bude hodnota proudu 600 mA (B). Napětí však zůstane nezměněné.

Navzdory připojení dvou rezistorů ke zdroji napájení bude druhý na výstupu vytvářet neměnné napětí, protože za ideálních podmínek nepodléhá zátěži.

Nyní se podívejme, jak se změní hodnoty, pokud v obvodu budou rezistory připojeny k napájecímu zdroji. Obdobným způsobem zavedeme reostat 40 Ω s driverem 300 mA. Ten na něm vytvoří napětí 12 V (schéma C).

Pokud je obvod složen ze dvou rezistorů, pak je velikost proudu nezměněná a napětí bude 6 V (D).

Driver se na rozdíl od zdroje napětí stará o udržování zadaných parametrů proudu na výstupu, avšak výkon napětí se může měnit.

Shrneme-li, můžeme říci, že kvalitní měnič dodává zátěži jmenovitý proud i při poklesu napětí. V důsledku toho budou krystaly diod pro 2 V nebo 3 V a proud 300 mA svítit stejně jasně i při sníženém napětí.

Charakteristické vlastnosti měniče

Jedním z nejdůležitějších ukazatelů je přenášený výkon při zátěži. Zařízení nelze přetěžovat a snažit se dosáhnout maximálně možných výsledků.

Nesprávné používání přispívá k rychlému selhání nejen pozorovacího mechanismu, ale i LED čipů.

Mezi hlavní faktory ovlivňující práci patří:

• součástkové prvky používané při montáži;
• stupeň krytí (IP);
• minimální a maximální hodnoty na vstupu a výstupu;
• výrobce.

Moderní modely měničů jsou vyráběny na bázi integrovaných obvodů a využívají technologii pulzně šířkové modulace (PWM).

Během provozu napájecího zdroje je pro regulaci výstupního napětí zavedena metoda pulzně-šířkové modulace, přičemž na výstupu zůstává zachován stejný druh proudu jako na vstupu.

Taková zařízení se vyznačují vysokým stupněm ochrany proti zkratům a přetížením sítě a mají také vyšší účinnost.

Pravidla pro výběr proudového měniče

Při pořizování měniče pro LED lampu je třeba prostudovat klíčové vlastnosti zařízení. Je vhodné se opírat o výstupní napětí, jmenovitý proud a dodávaný výkon.

Výkon světelných diod

Nejprve rozebereme výstupní napětí, které je určeno několika faktory:

• hodnota ztrát napětí na P-N přechodech krystalů;
• počet světelných diod v řetězci;
• schéma zapojení.

Parametry jmenovitého proudu lze určit podle charakteristických vlastností spotřebiče, konkrétně podle výkonu LED prvků a stupně jejich jasu.

Tento ukazatel bude ovlivňovat proud spotřebovávaný krystaly, jehož rozsah se mění v závislosti na požadovaném jasu. Úkolem měniče je zajistit těmto prvkům dodávku potřebného množství energie.

Hodnota výstupního napětí musí být větší nebo shodná s celkovým součtem energie spotřebované v každém bloku elektrického schématu.

Výkon zařízení závisí na síle každého LED prvku, jejich barvě a počtu.

Pro výpočet spotřebované energie se používá následující vzorec:

P_H = P_LED * N,

Kde

• P_LED – elektrické zatížení vytvářené jednou diodou,
• N – počet krystalů v obvodu.

Získané hodnoty nesmí být menší než výkon budiče. Nyní je třeba určit požadovanou jmenovitou hodnotu.

Maximální výkon přístroje

Je také třeba vzít v úvahu skutečnost, že pro zajištění stabilního provozu měniče musí jeho jmenovité hodnoty překračovat získanou hodnotu P_H o 20-30 %.

Vzorec tedy nabývá tvaru:

P_max ≥ (1,2..1,3) * P_H,

kde P_max — jmenovitý výkon napájecího zdroje.

Kromě výkonu a počtu spotřebičů na desce je zátěžová síla také ovlivněna barevnými faktory spotřebiče. Při stejném proudu mají v závislosti na odstínu různé hodnoty úbytku napětí.

Budič pro LED lampu musí dodávat takové množství proudu, které je nutné k zajištění maximálního jasu. Při výběru zařízení by si měl kupující pamatovat, že výkon musí být větší, než jaký spotřebují všechny LED.

Vezměme si pro příklad LED americké firmy Cree z řady XP-E v červené barvě.

Jejich charakteristiky vypadají následovně:

• úbytek napětí 1,9-2,4 V;
• proud 350 mA;
• průměrný výkon spotřeby 750 mW.

Analog zelené barvy při stejném proudu bude mít zcela jiné parametry: ztráty na P-N přechodech 3,3-3,9 V, výkon 1,25 W.

Odpovídajícím způsobem lze vyvodit závěry: driver navržený na 10 W se používá pro napájení dvanácti červených krystalů nebo osmi zelených.

Schéma zapojení LED diod

Výběr driveru by měl být proveden po určení schématu zapojení LED spotřebičů. Pokud si nejprve zakoupíte světelné diody a teprve poté k nim vybíráte měnič, bude tento proces provázen mnoha obtížemi.

Pro nalezení zařízení, které zajistí provoz právě takového počtu spotřebičů při daném schématu zapojení, budete muset strávit nemálo času.

Uveďme příklad se šesti spotřebiči. Ztráty napětí u nich činí 3 V, odebíraný proud 300 mA. Pro jejich zapojení lze použít jednu z metod, přičemž v každém jednotlivém případě se budou požadované parametry napájecího zdroje lišit.

Nevýhodou sériového uspořádání diod je potřeba napájecího zdroje s vyšším napětím, pokud bude v obvodu mnoho krystalů.

V našem případě je při sériovém zapojení nutný zdroj 18 V s proudem 300 mA. Hlavní výhodou tohoto způsobu je, že celým vedením prochází stejný proud, a proto všechny diody svítí se stejnou jasností.

Nevýhodou paralelního uspořádání spotřebičů je rozdílná jas svitu každého řetězce. Tento negativní jev vzniká v důsledku rozptylu parametrů diod kvůli rozdílům mezi proudy procházejícími každou větví.

Pokud je použito paralelní uspořádání – stačí použít měnič na 9 V, avšak hodnota odebíraného proudu bude dvojnásobná v porovnání s předchozí metodou.

Metoda sériového uspořádání po dvou diodách nemůže být použita se změnou počtu krystalů vstupujících do skupiny – 3 a více. Tato omezení souvisí s tím, že jedním prvkem může procházet příliš velký proud, což vytváří pravděpodobnost poruchy celého obvodu.

Pokud se použije sériová metoda s vytvářením párů po dvou LED, použije se driver s analogickými parametry jako v předchozím případě. Přitom jas osvětlení bude již rovnoměrný.

Avšak ani zde se neobešlo bez negativních nuancí: při přivedení napájení ke skupině, v důsledku rozptylu charakteristik, se jedna z LED může otevřít rychleji než druhá, a tudíž jí poteče proud dvojnásobně překračující jmenovitou hodnotu.

Mnoho typů LED žárovek pro domácí osvětlení je navrženo na takové krátkodobé špičky, ale tato metoda patří mezi méně žádané.

Druhy driverů podle typu zařízení

Zařízení, která převádějí napájení 220 V na požadované hodnoty pro LED, se zhruba dělí do tří kategorií: elektronické; na bázi kondenzátorů; stmívatelné.

Trh se světelně technickými příslušenstvími je zastoupen širokou škálou modelů driverů převážně od čínských výrobců. A navzdory nízkému cenovému rozpětí lze z těchto zařízení vybrat zcela důstojnou variantu. Je však třeba věnovat pozornost záručnímu listu, protože ne všechny nabízené výrobky mají přijatelnou kvalitu.

Elektronický typ přístroje

V ideálním případě by elektronický měnič měl být vybaven tranzistorem. Jeho úlohou je odlehčit regulačnímu integrovanému obvodu. Pro vyloučení nebo maximální vyhlazení pulzace je na výstupu instalován kondenzátor.

Zařízení tohoto typu patří do drahé kategorie, avšak je schopno stabilizovat proud až 750 mA, k čemuž balastní mechanismy nejsou schopny.

Nejnovější drivery se většinou instalují na žárovky s paticí E27. Výjimkou z pravidla jsou výrobky Gauss GU5,3. Jsou vybaveny beztransformátorovým měničem. Avšak míra pulzace v nich dosahuje několika set Hz.

Pulzování není jediným nedostatkem měničů. Za druhý lze považovat elektromagnetické rušení ve vysokofrekvenčním (VF) pásmu. Pokud tedy do zásuvky spojené se svítidlem budou připojeny jiné elektrické spotřebiče, například rádio, lze očekávat rušení při příjmu digitálních FM frekvencí, televize, routeru atd.

V optimálním zařízení kvalitního přístroje by měly být dva kondenzátory: jeden – elektrolytický pro vyhlazení pulzací, druhý – keramický, pro snížení VF. Takovou kombinaci však lze potkat zřídka, zejména pokud jde o čínské výrobky.

Ti, kdo mají obecné znalosti o podobných elektrických obvodech, mohou samostatně volit výstupní parametry elektronického měniče změnou hodnoty rezistorů.

Díky vysoké účinnosti (až 95%) jsou takové mechanismy vhodné pro výkonné přístroje používané v různých oblastech, například pro tuning automobilů, v pouličních osvětlovacích zařízeních, stejně jako v domácích LED zdrojích.

Napájecí zdroj na bázi kondenzátorů

Nyní přejdeme k méně oblíbeným zařízením – na bázi kondenzátorů. Prakticky všechny obvody levných LED žárovek, kde jsou použity drivery tohoto typu, mají podobné vlastnosti.

Avšak v důsledku modifikací výrobcem procházejí změnami, například odstraněním některého prvku obvodu. Zvláště často tímto prvkem bývá jeden z kondenzátorů – vyhlazovací.

V důsledku nekontrolovaného zaplnění trhu levným a nekvalitním zbožím mohou uživatelé v lampách „pociťovat“ stoprocentní pulzaci. Aniž bychom se ponořili do jejich konstrukce, lze tvrdit, že z obvodu byl odstraněn vyhlazovací prvek.

Výhod těchto mechanismů jsou pouze dvě: jsou dostupné pro vlastní montáž a jejich účinnost se blíží sto procentům, protože ztráty vznikají pouze na přechodech p-n a odporech.

Stejný počet mají i negativní stránky: nízká elektrická bezpečnost a vysoký stupeň pulzace. Druhý nedostatek činí asi 100 Hz a vzniká v důsledku usměrnění střídavého napětí. V GOST je stanovena norma přípustné pulzace 10–20 % v závislosti na účelu místnosti, kde je svítidlo instalováno.

Jediný způsob, jak tento nedostatek vyhladit, je výběr kondenzátoru se správnou hodnotou. Nicméně nelze počítat s úplným odstraněním problému – takové řešení může pouze zmírnit intenzitu výkyvů.

Stmívatelné měniče proudu

Stmívací ovladače pro stmívatelné LED žárovky umožňují měnit vstupní a výstupní hodnoty proudu, přičemž se snižuje nebo zvyšuje úroveň jasu světla vyzařovaného diodami.

Existují dva způsoby připojení:

• první předpokládá pozvolný start;
• druhý – pulzní.

Zvažte princip fungování stmívatelných ovladačů na bázi čipu CPC9909, který se používá jako regulační zařízení pro LED obvody, včetně těch s vysokým jasem.

Schéma standardního zapojení CPC9909 s napájením 220 V. Podle schematických pokynů je možné ovládat jeden nebo několik výkonných spotřebičů.

Při pozvolném startu čip s ovladačem zajišťuje postupné zapínání diod s rostoucím jasem. Pro tento proces se používají dva rezistory připojené k pinu LD, který je určen pro provádění úlohy plynulého stmívání. Tím je realizován důležitý úkol – prodloužení životnosti LED prvků.

Stejný pin zajišťuje také analogové řízení – rezistor 2,2 kΩ se nahrazuje výkonnějším proměnným analogem – 5,1 kΩ. Tím je dosaženo plynulé změny potenciálu na výstupu.

Použití druhého způsobu předpokládá přivádění obdélníkových impulsů na nízkofrekvenční pin PWMD. Přitom se využívá buď mikrokontrolér, nebo pulzní generátor, které jsou nutně odděleny optočlenem.

S pouzdrem nebo bez něj?

Ovladače se vyrábějí s krytem nebo bez něj. První varianta je nejrozšířenější a dražší. Taková zařízení jsou chráněna proti vlhkosti a částicím prachu.

Zařízení druhého typu se používají při provádění skryté montáže, a proto se vyznačují nízkou cenou.

Napájení všech uvedených zařízení může být ze sítě 12 V nebo 220 V. I když modely bez pouzdra vítězí cenou, výrazně zaostávají v oblasti bezpečnosti a spolehlivosti mechanismu.

Každý z nich se liší přípustnou teplotou během provozu – na to je také třeba dbát při výběru.

Klasické schéma driveru

Pro vlastní montáž LED napájecího zdroje se podívejme na nejjednodušší zařízení impulsního typu, které nemá galvanické oddělení. Hlavní výhodou takových schémat je jednoduché připojení a spolehlivý provoz.

Schéma měniče na 220 V je uvedeno jako impulsní napájecí zdroj. Při montáži je nutné dodržovat všechna pravidla elektrické bezpečnosti, protože zde nejsou žádné limity na výstupní proud.

Schéma takového mechanismu se skládá ze tří základních kaskádových oblastí:

1. Dělič napětí na kapacitním odporu.
2. Usměrňovač.
3. Stabilizátory napětí.

První úsek – odpor, který klade střídavému proudu kondenzátor C1 s rezistorem. Poslední je potřebný výhradně pro provedení samostatného nabíjení inertního prvku. Na činnost schématu nemá vliv.

Jmenovitá hodnota rezistoru může být v rozsahu 100 kΩ–1 MΩ, s výkonem 0,5–1 W. Kondenzátor musí být elektrolytický a jeho efektivní amplitudová hodnota napětí – 400–500 V

Když vytvořená půlvlna napětí prochází kondenzátorem, proud teče, dokud se desky zcela nenabijí. Čím menší je kapacita mechanismu, tím méně času bude potřeba na jeho úplné nabití.

Například zařízení o kapacitě 0,3–0,4 µF se nabije během 1/10 periody půlvlny, tedy pouze desetina procházejícího napětí projde tímto úsekem.

Proces usměrňování v tomto úseku se provádí podle Greetzova zapojení. Diodový můstek se vybírá na základě jmenovitého proudu a zpětného napětí. Přitom poslední hodnota nesmí být menší než 600 V

Druhý kaskádový stupeň je elektrické zařízení, které transformuje (usměrňuje) střídavý proud na pulzující. Tento proces se nazývá dvoucestné usměrnění. Protože jedna část půlvlny byla vyhlazena kondenzátorem, na výstupu tohoto úseku bude stejnosměrné napětí 20–25 V.

Jelikož napájení LED nesmí překročit 12 V, je pro obvod nutné použít stabilizační prvek. K tomu se zavádí kapacitní filtr. Například lze použít model L7812.

Třetí stupeň pracuje na bázi vyhlazovacího stabilizačního filtru – elektrolytického kondenzátoru. Volba jeho kapacitních parametrů závisí na zatěžovacím proudu.

Protože sestavený obvod začne okamžitě pracovat, nedotýkejte se holých vodičů, protože protékající proud dosahuje desítek ampér – předem proveďte izolaci vedení.

Závěry a užitečné video k tématu

Všechny obtíže, se kterými se může setkat radioamatér při výběru měniče pro výkonné LED lampy, jsou podrobně popsány ve videu:

Klíčové vlastnosti samostatného připojení měniče do elektrického obvodu:

Postupný návod popisující proces vlastnoruční montáže LED driveru z běžně dostupných prostředků:

Navzdory výrobcem deklarovaným desítkám tisíc hodin nepřetržitého provozu LED lamp existuje mnoho faktorů, které tyto ukazatele výrazně snižují.

Pro vyhlazení všech skoků proudu v elektrické soustavě jsou určeny drivery. K jejich výběru nebo vlastní montáži je třeba přistupovat zodpovědně po výpočtu všech potřebných parametrů.

Povězte nám, jak jste vybírali driver pro LED žárovku. Podělte se o své argumenty a způsoby stabilizace napájení napětím pro diodové osvětlovací zařízení. Zanechte komentáře v níže uvedeném bloku, ptejte se, vkládejte fotografie k tématu článku.