Kako izbrati gonilnik za LED žarnico: vrste, namen + posebnosti priključitve

LED svetilke so se množično razširile, zaradi česar se je začela aktivna proizvodnja sekundarnih napajalnikov. Gonilnik LED svetilke lahko stabilno vzdržuje nastavljene vrednosti toka na izhodu naprave, s čimer stabilizira napetost, ki poteka skozi verigo diod.

Povedali vam bomo vse o vrstah in načelih delovanja naprave za pretvorbo toka za delovanje diodne žarnice. V našem predlaganem članku so podane smernice za izbiro gonilnika ter koristna priporočila. Samostojni domači elektriki bodo pri nas našli v praksi preverjene sheme priključitve.

Namen in področje uporabe

Diodni kristali so sestavljeni iz dveh polprevodnikov – anode (plus) in katode (minus), ki sta odgovorna za transformacijo električnih signalov. Eno območje ima prevodnost P-tipa, drugo pa N. Pri priključitvi napajalnika bo skozi te elemente tekel tok.

Zaradi takšne polarnosti elektroni iz območja P-tipa hitijo v območje N-tipa in obratno, naboji iz točke N hitijo k P. Vendar ima vsak del območja svoje meje, imenovane P-N prehodi. Na teh območjih se delci srečujejo in medsebojno absorbirajo ali rekombinirajo.

Dioda spada med polprevodniške elemente in ima samo en p-n prehod. Zaradi tega glavna značilnost, ki določa stopnjo svetlosti njihovega sevanja, ni napetost, temveč tok.

Med P-N prehodi se napetost zmanjša za določeno število voltov, vedno enako za vsak element vezja. Ob upoštevanju teh vrednosti gonilnik stabilizira vrednosti vhodnega toka in na izhodu tvori konstantno vrednost.

Kakšna moč je potrebna in kakšne vrednosti izgub pri P-N prehodu so navedene v podatkovnem listu LED naprave. Zato je treba pri izbiri diodne žarnice upoštevati parametre napajalnika, katerih obseg mora zadostovati za kompenzacijo izgubljene energije.

Da bi močne LED diode delovale predvideni čas, je potreben stabilizacijski element – gonilnik. Na ohišju elektronskega mehanizma je vedno prikazana njegova izhodna napetost.

Napajalniki z napetostjo od 10 do 36 V se uporabljajo za opremljanje svetlobnih naprav.

Tehnika je lahko najrazličnejših vrst:

• žarometi avtomobilov, koles, motociklov itd.;
• majhne prenosne ali ulične svetilke;
• LED linije, trakovi, stropne žarnice in moduli.

Vendar pa za nizkoenergijske LED diode, kot tudi v primeru uporabe enosmerne napetosti, gonilnikov ni treba uporabljati. Namesto njih se v vezje vključi upor, ki se prav tako napaja iz omrežja 220 V.

Načelo delovanja napajalnika

Ugotovimo, kakšne so razlike med napetostnim virom in napajalnikom. Kot primer poglejmo spodnjo shemo.

Če na napajalnik 12 V priključimo upor 40 Ω, bo skozenj tekel tok 300 mA (slika A). Če vzporedno v vezie vključimo še drugi upor, bo tok znašal 600 mA (B). Napetost pa bo ostala nespremenjena.

Kljub priključitvi dveh uporov na napajalnik bo drugi na izhodu ustvarjal nespremenljivo napetost, saj se v idealnih pogojih ne prilagaja obremenitvi.

Sedaj poglejmo, kako se spremenijo vrednosti, če so v vezje priključeni upori na napajalnik. Na podoben način vključimo reostat 40 Ω z gonilnikom 300 mA. Slednji na njem ustvari napetost 12 V (shema C).

Če je vezje sestavljeno iz dveh uporov, je tok nespremenljiv, napetost pa bo znašala 6 V (D).

Gonilnik v nasprotju z napetostnim virom na izhodu ohranja dane parametre toka, vendar se moč napetosti lahko spreminja.

Ob zaključku lahko rečemo, da kakovosten pretvornik dovaja obremenitvi nazivni tok tudi ob padcu napetosti. Posledično bodo diodni kristali za 2 V ali 3 V s tokom 300 mA enako močno svetili ob znižani napetosti.

Značilnosti pretvornika

Eden najpomembnejših kazalnikov je prenesena moč pod obremenitvijo. Naprave ne smemo preobremenjevati in poskušati doseči maksimalnih možnih rezultatov.

Nepravilna uporaba povzroči hitro okvaro ne samo preglednega mehanizma, ampak tudi LED čipov.

Med glavne dejavnike, ki vplivajo na delovanje, spadajo:

• sestavni elementi, uporabljeni v postopku sestavljanja;
• stopnja zaščite (IP);
• minimalne in maksimalne vrednosti na vhodu in izhodu;
• proizvajalec.

Sodobni modeli pretvornikov so izdelani na osnovi mikrovezij in uporabljajo tehnologijo pulzno-širinske modulacije (PWM).

Med delovanjem napajalnika je za regulacijo vrednosti izhodne napetosti uvedena metoda pulzno-širinske modulacije, pri čemer se na izhodu ohrani enaka vrsta toka kot na vhodu.

Takšne naprave odlikuje visoka stopnja zaščite pred kratkimi stiki, preobremenitvami omrežja, in imajo tudi višji izkoristek.

Pravila za izbiro tokovnega pretvornika

Za nakup pretvornika za LED sijalko je treba preučiti ključne lastnosti naprave. Zanašati se je treba na izhodno napetost, nazivni tok in izhodno moč.

Moč svetlobnih diod

Najprej si oglejmo izhodno napetost, ki je odvisna od več dejavnikov:

• vrednost izgub napetosti na P-N prehodih kristalov;
• število svetlobnih diod v verigi;
• shema povezave.

Parametre nazivnega toka je mogoče določiti glede na značilnosti porabnika, in sicer moč LED elementov in stopnjo njihove svetlosti.

Ta parameter bo vplival na tok, ki ga porabljajo kristali, katerega obseg se spreminja glede na zahtevano svetlost. Naloga pretvornika je tem elementom zagotoviti dobavo potrebne količine energije.

Vrednost izhodne napetosti mora biti večja ali enaka skupni vsoti porabljene energije v vsakem bloku električnega vezja

Moč naprave je odvisna od jakosti vsakega LED elementa, njihove barve in števila.

Za izračun porabljene energije uporabimo naslednjo formulo:

P_H = P_LED * N,

Kjer

• P_LED – električna obremenitev, ki jo ustvarja ena dioda,
• N – število kristalov v vezju.

Dobljene vrednosti ne smejo biti manjše od moči gonilnika. Zdaj je treba določiti zahtevano nazivno vrednost.

Največja moč naprave

Upoštevati je treba tudi dejstvo, da morajo za zagotovitev stabilnega delovanja pretvornika njegove nazivne vrednosti presegati dobljeno vrednost P_H za 20-30 %.

Tako formula dobi obliko:

P_max ≥ (1,2..1,3) * P_H,

kjer je P_max nazivna moč napajalnika.

Poleg moči in števila porabnikov na plošči je obremenitev odvisna tudi od barvnih dejavnikov porabnika. Pri enakem toku imajo glede na odtenek različne vrednosti padca napetosti.

Gonilnik za LED sijalko mora oddajati toliko toka, kot je potrebno za zagotovitev največje svetlosti. Pri izbiri naprave se mora kupec zavedati, da mora biti moč večja, kot jo porabijo vse LED diode

Vzemimo za primer LED diode ameriškega podjetja Cree iz serije XP-E v rdeči barvi.

Njihove značilnosti so naslednje:

• padec napetosti 1,9-2,4 V;
• tok 350 mA;
• povprečna poraba moči 750 mW.

Analog zelene barve pri enakem toku bo imel popolnoma drugačne vrednosti: izgube na P-N spojih od 3,3 do 3,9 V, moč pa 1,25 W.

V skladu s tem lahko sklepamo: gonilnik, zasnovan za 10 W, se uporablja za napajanje dvanajstih rdečih kristalov ali osmih zelenih.

Shema priključitve LED diod

Izbira gonilnika naj se opravi po določitvi sheme povezave LED-porabnikov. Če najprej kupite svetlobne diode in nato zanje izbirate pretvornik, bo ta proces spremljala množica težav.

Za iskanje naprave, ki zagotavlja delovanje prav takšnega števila porabnikov pri dani shemi povezave, bo treba porabiti precej časa.

Navedimo primer s šestimi porabniki. Izgube napetosti pri njih znašajo 3 V, porabljeni tok 300 mA. Za njihovo povezavo lahko uporabimo eno od metod, pri čemer se bodo v vsakem posameznem primeru zahtevani parametri napajalnika razlikovali.

Pomanjkljivost zaporedne razporeditve diod je potreba po napajalniku z visoko napetostjo, če bo v vezju veliko kristalov.

V našem primeru je pri zaporedni povezavi potreben blok na 18 V s tokom 300 mA. Glavna prednost tega načina je, da skozi celotno linijo teče enaka jakost, zato vse diode svetijo z enako svetilnostjo.

Slabost vzporedne postavitve porabnikov je razlika v svetilnosti vsake verige. Tak negativen pojav nastane zaradi razpršenosti parametrov diod zaradi razlik v toku, ki teče skozi vsako linijo.

Če je uporabljena vzporedna postavitev – zadostuje napajalnik na 9 V, vendar bo vrednost porabljenega toka podvojena v primerjavi s prejšnjo metodo.

Metoda zaporednega nameščanja po dve diodi ni mogoče uporabiti z zamenjavo števila kristalov v skupini – 3 in več. Takšne omejitve so povezane s tem, da lahko skozi en element steče prevelik tok, kar ustvarja verjetnost okvare celotnega vezja.

Če se uporablja zaporedna metoda z oblikovanjem parov po dve svetleči diodi, se uporablja gonilnik s podobnimi vrednostmi kot v prejšnjem primeru. Pri tem bo svetilnost osvetlitve že enakomerna.

Vendar tudi tukaj ni brez negativnih odtenkov: pri dovodu napajanja k skupini se lahko zaradi razpršenosti značilnosti ena od svetlečih diod odpre hitreje od druge, zato bo skozi njo stekel tok, ki za dvakrat presega nazivno vrednost.

Mnoge vrste LED svetilk za domačo razsvetljavo so zasnovane za takšna kratkotrajna nihanja, vendar ta metoda sodi med manj zaželene.

Vrste gonilnikov glede na vrsto naprave

Naprave, ki pretvarjajo napajanje 220 V v potrebne vrednosti za LED, se pogojno delijo v tri kategorije: elektronske; na osnovi kondenzatorjev; dimabilne.

Trg svetlobnotehničnih dodatkov je predstavljen s široko paleto modelov gonilnikov, večinoma kitajskega proizvajalca. In kljub nizkemu cenovnemu razponu je med temi napravami mogoče izbrati povsem spodobno možnost. Vendar je treba biti pozoren na garancijski list, saj vsa predstavljena proizvodnja nima sprejemljive kakovosti.

Elektronska vrsta naprave

V idealnem primeru mora biti elektronski pretvornik opremljen s tranzistorjem. Njegova vloga je razbremenitev regulacijske mikrosheme. Za odpravo ali maksimalno glajenje pulziranja se na izhodu namesti kondenzator.

Takšna vrsta naprave spada v drago kategorijo, vendar lahko stabilizira tok do 750 mA, česar balastni mehanizmi niso zmožni.

Najnovejši gonilniki se večinoma nameščajo na žarnice z grlom E27. Izjema od pravila so izdelki Gauss GU5,3. Opremljeni so z breztransformatorskim pretvornikom. Vendar stopnja pulziranja pri njih dosega več sto Hz.

Pulziranje ni edina pomanjkljivost pretvornikov. Kot drugo lahko navedemo elektromagnetne motnje visokofrekvenčnega (VF) območja. Tako, če bodo v vtičnico, povezano s svetilko, priključene druge električne naprave, na primer radio – lahko pričakujemo motnje pri sprejemu digitalnih FM frekvenc, televizije, usmerjevalnika itd.

V opcijski napravi kakovostnega aparata morata biti dva kondenzatorja: eden – elektrolitski za glajenje pulziranja, drugi – keramični, za znižanje VF. Vendar takšno kombinacijo lahko srečamo redko, zlasti če govorimo o kitajskih izdelkih.

Tisti, ki imajo splošno znanje o podobnih električnih shemah, lahko samostojno izbirajo izhodne parametre elektronskega pretvornika s spreminjanjem vrednosti uporov.

Zaradi visokega izkoristka (do 95%) so takšni mehanizmi primerni za močne naprave, ki se uporabljajo na različnih področjih, na primer za tuning avtomobilov, v uličnih svetlobnih napravah ter pri gospodinjskih LED virih.

Napajalnik na osnovi kondenzatorjev

Zdaj prehajamo k manj priljubljenim napravam – na osnovi kondenzatorjev. Skoraj vse sheme LED svetilk poceni izvedbe, kjer so uporabljeni tovrstni gonilniki, imajo podobne značilnosti.

Vendar zaradi proizvajalčevih sprememb spreminjajo, na primer z odstranitvijo nekega elementa vezja. Še posebej pogosto je ta del eden od kondenzatorjev – gladilni.

Zaradi nenadzorovanega zapolnjevanja trga s poceni in nekakovostnim blagom lahko uporabniki v svetilkah »občutijo« stoodstotno utripanje. Tudi brez poglabljanja v njihovo zgradbo je mogoče trditi, da je bil gladilni element odstranjen iz sheme.

Takšni mehanizmi imajo le dve prednosti: so na voljo za samostojno sestavljanje, njihov izkoristek pa je enak stoodstotnemu, saj bodo izgube le na p-n spojih in uporih.

Prav toliko je tudi negativnih strani: nizka električna varnost in visoka stopnja utripanja. Druga pomanjkljivost znaša približno 100 Hz in nastane kot posledica usmerjanja izmenične napetosti. V GOST-u je predpisana norma dovoljenega utripanja 10–20 %, odvisno od namembnosti prostora, kjer je nameščena svetlobna naprava.

Edini način za omilitev te pomanjkljivosti je izbira kondenzatorja s pravilno nazivno vrednostjo. Kljub temu ne smemo računati na popolno odpravo težave – takšna rešitev lahko le omili intenzivnost sunkov.

Zatemnilni tokovni pretvorniki

Driverji-regulatorji svetlobe za zatemnljive LED žarnice omogočajo spreminjanje vhodnih in izhodnih vrednosti toka, pri čemer se stopnja svetlosti svetlobe, ki jo oddajajo diode, zmanjšuje ali povečuje.

Obstajata dva načina priključitve:

• prvi vključuje postopen zagon;
• drugi – impulzni.

Oglejte si načelo delovanja zatemnljivih driverjev na osnovi mikrosheme CPC9909, ki se uporablja kot krmilna naprava za LED vezja, vključno s tistimi z visoko svetlostjo.

Shema standardnega vklopa CPC9909 z napajanjem 220 V. V skladu s shematskimi navodili je mogoče upravljati enega ali več močnih porabnikov.

Pri postopnem zagonu mikroshema z driverjem zagotavlja postopno vklop diod z naraščajočo svetlostjo. Za ta proces se uporabita dva upora, priključena na priključek LD, ki je namenjen izvajanju naloge postopnega zatemnjevanja. Tako se uresničuje pomembna naloga – podaljšanje življenjske dobe LED elementov.

Isti priključek zagotavlja tudi analogno regulacijo – upor 2,2 kΩ zamenjamo z močnejšim spremenljivim analogom – 5,1 kΩ. Tako se doseže gladka sprememba potenciala na izhodu.

Uporaba drugega načina vključuje dovajanje pravokotnih impulzov na nizkofrekvenčni priključek PWMD. Pri tem se uporablja bodisi mikrokrmilnik bodisi impulzni generator, ki sta obvezno ločena z optično spojko.

Z ohišjem ali brez?

Driverji se proizvajajo z ohišjem ali brez. Prva možnost je najbolj razširjena in dražja. Takšne naprave so zaščitene pred vdorom vlage in delcev prahu.

Pripomočki drugega tipa se uporabljajo pri izvedbi skrite montaže in so posledično poceni.

Napajanje vseh predstavljenih naprav je lahko iz omrežja 12 V ali 220 V. Čeprav so modeli brez ohišja cenovno ugodnejši, precej zaostajajo v smislu varnosti in zanesljivosti mehanizma.

Vsak od njih se razlikuje po dovoljeni temperaturi med delovanjem – na to morate biti pozorni tudi pri izbiri.

Klasična shema gonilnika

Za samostojno sestavljanje LED napajalnika si bomo ogledali najpreprostejšo napravo impulznega tipa, ki nima galvanske ločitve. Glavna prednost takšne sheme je preprosta povezava in zanesljivo delovanje.

Shema pretvornika za 220 V je predstavljena kot impulzni napajalnik. Pri sestavljanju morate upoštevati vsa pravila električne varnosti, saj tukaj ni omejitev glede tokovne zmogljivosti.

Shema takšnega mehanizma je sestavljena iz treh glavnih kaskadnih področij:

1. Delilnik napetosti na kapacitivnem uporu.
2. Usmernik.
3. Stabilizatorji napetosti.

Prvi del – upor, ki ga izmeničnemu toku nudi kondenzator C1 z uporom. Slednji je potreben izključno za samostojno polnjenje inertnega elementa. Na delovanje sheme nima vpliva.

Nazivna vrednost upora je lahko v območju 100 kΩ–1 MΩ, z močjo 0,5–1 W. Kondenzator mora biti elektrolitski, njegova efektivna amplitudna napetost pa – 400–500 V.

Ko nastala polvala napetosti prehaja skozi kondenzator, tok teče, dokler se plošči popolnoma ne napolnita. Manjša kot je kapacitivnost mehanizma, manj časa bo porabljenega za njegovo popolno napolnitev.

Na primer, naprava s kapacitivnostjo 0,3–0,4 µF se napolni v 1/10 periode polvalove, torej le desetina prehajajoče napetosti bo prešla skozi ta del.

Postopek usmerjanja na tem delu se izvaja po Graetzovi shemi. Diodni most se izbira glede na nazivni tok in povratno napetost. Pri tem slednja vrednost ne sme biti manjša od 600 V.

Drugi kaskad je električna naprava, ki pretvarja (usmerja) izmenični tok v pulzirajočega. Takšen postopek se imenuje dvopolvalni usmerjevalnik. Ker je bil en del polvalov zglajen s kondenzatorjem, bo na izhodu tega dela enosmerni tok enak 20–25 V.

Ker napajanje LED diod ne sme presegati 12 V, je treba v vezju uporabiti stabilizacijski element. Zato se uvede kapacitivni filter. Na primer, lahko uporabite model L7812.

Tretja stopnja deluje na osnovi gladilnega stabilizacijskega filtra – elektrolitskega kondenzatorja. Izbira njegovih kapacitivnih parametrov je odvisna od moči obremenitve.

Ker sestavljeno vezje začne delovati takoj, se ne smete dotikati golih žic, saj prevodni tok doseže desetine amperov – predhodno je treba izolirati linije.

Zaključki in koristen video na to temo

Vse težave, s katerimi se lahko sooči radijski amater, ki izbira pretvornik za močne LED sijalke, so podrobno opisane v video prispevku:

Ključne značilnosti samostojnega priklopa pretvornika v električno shemo:

Postopna navodila, ki opisujejo postopek sestave lastnega LED gonilnika iz improviziranih sredstev:

Kljub proizvajalčevim navedbam deset tisoč ur neprekinjenega delovanja LED sijalk obstaja veliko dejavnikov, ki te vrednosti bistveno zmanjšujejo.

Za glajenje vseh tokovnih skokov v električnem sistemu so namenjeni gonilniki. K njihovi izbiri ali samostojni sestavi je treba pristopiti odgovorno po izračunu vseh potrebnih parametrov.

Povejte, kako ste izbrali gonilnik za delovanje LED žarnice. Delite svoje argumente in načine stabilizacije napetosti za diodno svetilko. Pustite komentarje v spodnjem bloku, postavljajte vprašanja in objavljajte fotografije na temo članka.