Gestionarea eficientă a LED-uri de putere

Articolul oferă o prezentare generală a caracteristicilor LED-urilor și opțiunile de surse de alimentare pentru ei. Descrie circuitul tipic de alimentare, furnizează informații detaliate cu privire la crearea unei bucle de feedback, problema reglând luminozitatea LED-urilor și sunt două moduri de a rezolva problema.

Caracteristicile curent-tensiune ale diode emițătoare de lumină
Figura 1 prezintă un grafic de tensiune înainte pentru un LED tipic bazat pe InGaAlP.

Fig. 1. Caracteristica curent-tensiune de LED-uri (reale și modelul ca un rezistor conectat în serie la o sursă de tensiune)

Căderea în față de tensiune pe LED-p-n-tranziție are un coeficient de temperatură negativ de -3.0 ... -5.2 mV / K. Acesta este unul dintre motivele pentru dificultăți în conectarea în paralel a LED-uri. LED-ul încălzit mai puternic decât toate, ea tinde să consume mai multă energie, ceea ce duce la mai mult de încălzire sale.

Fig. 2. Atunci când un curent de 1 agravează o eficiență cu LED-uri

Figura 2 prezintă fluxul luminos relativă (flux luminos) ca o funcție a curentului de operare. Este evident faptul că eficiența luminoasă este practic liniar dependentă de curentul prin dioda și încetează să crească numai la valori mai mari de curent. Acest lucru înseamnă că, la curenți mici de diode rezultate dublare curente în dublarea producției de lumină. Această regulă nu este, totuși, valabil la curenți mari atunci când creșterea actuală de 100% conduce la o creștere a producției de lumină este de numai 80%. Acest lucru este important, deoarece LED-urile sunt alimentate de comutare surse de alimentare, care se pot aplica la un LED mare pulsatorie componentă de curent continuu. De fapt, costul alimentării cu energie într-o anumită măsură, determinată de curentul pulsează admisă. Cu cât valoarea componentei pulsatorie, scăderea ratei de aprovizionare. Dar pentru aceasta trebuie să plătească o scădere a producției de lumină.
Figura 3 este prezentat pentru a cuantifica reducerea eficienței luminoase atunci când este aplicată triunghiular val curent pulsatoriu la un curent constant de ieșire.

Fig. 3. Un curent pulsator degradează mai multe ieșiri de lumină LED-uri

In cele mai multe cazuri, frecvența ondulație curent depășește 80 Hz, iar pulsațiile nu este vizibil cu ochiul liber. Mai mult decât atât, ochiul reacționează la lumină exponențial și este în imposibilitatea de a distinge între luminozitatea reducerii luminii mai mic de 20%. Astfel, chiar și cu riplul curentului substanțial pe LED marcat reducerea luminozității nu se produce.
Ondulație curent afectează negativ diode emițătoare de lumină, crescând puterea disipată, ceea ce poate duce la încălzirea p-n-joncțiunii și scurta semnificativ durata de viață cu LED. Figura 4 prezintă un exemplu care reprezintă ieșirea luminoasă relativă a LED-ului în funcție de timp și temperatură, p-n-joncțiune.

Fig. 4. Se încălzește perioada p-n-tranziție reduce durata de viață cu LED-uri

Dacă durata de viață pentru LED-ul ia timp în care lumina generată este redusă cu 20%, de exemplu, la resursa de 63 ° C este de 25 mii de ore și la 74 ° C - .. La doar 10 mii de ore (adică, redus de 2,5 ori).
Figura 5 prezintă puterea disipată cuantificată cu LED-uri pe magnitudinea VDC componentei pulsează. Deoarece frecvența pulsației este mare în comparație cu constanta de timp termică a LED-ului, valoarea mare a componentei de curent pulsator (și o valoare de vârf mare de dispersie) nu afectează temperatura maximă a p-n-joncțiunii. Această temperatură este determinată de puterea medie. forma de unda nu afectează puterea disipată în „sursa de EMF“ în modelul cu LED-uri. Cu toate acestea, există, de asemenea, o componentă rezistivă a căderii de tensiune și puterea determinată de această impedanță înmulțit cu valoarea efectivă a curentului.
Mai mult, Figura 5 arată că, chiar și cu o componentă de curent pulsator magnitudine mare nu are nici un efect substanțial asupra valorii disipare puterii.

Fig. 5. Un curent pulsator crește puterea disipată în LED-

De exemplu, curentul la 50% componentă a pierderilor de putere crește pulsator cu nu mai mult de 5%. Atunci când acest nivel este depășit în mod semnificativ, pentru a oferi temperatură acceptabilă p-n-joncțiune și astfel extinde durata de viață a aparatului, este necesar pentru a reduce proporția de componente cu un curent constant. Conform unei reguli de degetul mare, durata de viață este prelungită cu jumătate din semiconductor cu scăderea temperaturii p-n-tranziție pentru fiecare 10 ° C Ar trebui, totuși, să aibă în vedere faptul că, în majoritatea circuitele necesare pentru a limita curentul de impulsuri în inductor considerațiilor de proiectare. Cele mai multe dintre drosele se calculează prin raportul dintre Ipeak. / Iout. la un nivel care să nu depășească 20%.

aplicații tipice
În multe cazuri, curentul LED este controlat de rezistențe de balast și autoritățile de reglementare liniare. În acest articol, cu toate acestea, atenția noastră este îndreptată spre controale de impuls. Există trei topologie, care au găsit aplicarea pe scară largă în gestionarea de LED-uri de putere: Creep, care crește și combinate. Alegerea topologiei depinde de raportul de intrare și de ieșire de tensiune.
În cazul în care tensiunea de ieșire este întotdeauna mai mică decât de intrare, se recomandă utilizarea regulatorului pas în jos. O schemă tipică este prezentată în figura 6.

Fig. 6. Convertorul pas în jos pentru aprovizionare cu LED-uri

În această schemă, ciclul de funcționare a comutatorului de alimentare controlate de tensiune medie timp de decantare peste inductor L1 filtru de ieșire. În cazul în care FET comutatorul (în TPS5430 cip) este deschis, acesta furnizează tensiunea de intrare pe inductor L1 și curentul generează în acesta. De prindere diodă D2 permite curent la cheie privată. Choke netezește curent atunci când curentul prin LED-uri. Controlul se realizează prin controlul (căderea de tensiune pe rezistoarele R1, R3) LED curent și compararea tensiunii c referință generată în cip. În cazul în care curentul este prea mic, atunci ciclul de lucru crește, iar tensiunea medie este în creștere - curentul crește în mod corespunzător. În această schemă, pentru a îmbunătăți eficiența, există, de asemenea, o capacitate, deoarece căderea de tensiune pe un comutator de alimentare, o diodă de limitare și un rezistor de măsurare este foarte mică.
Dacă tensiunea de ieșire este întotdeauna mai mare decât de intrare, convertorul impuls este utilizat așa cum se arată în figura 7.

Fig. 7. Convertorul impuls pentru aprovizionare cu LED-uri

Acest circuit are, de asemenea, un comutator de alimentare integrat. curent curge prin șoc în „teren“ în cheia publică. În cazul în care comutatorul este închis, tensiunea la borna 1 cip crește U1 până când ajunge la dioda D1. După aceea, accelerația dă energia stocată la ieșire condensator C3 și linia de LED-uri. În cele mai multe circuite condensator C3 este utilizat pentru a netezi curent cu LED-uri, și în absența curentului LED este discontinuă. Acest lucru înseamnă că schimbările actuale de la zero la o valoare a curentului de accelerație, ceea ce duce la creșterea încălzirii LED-ului (adică, - scurtarea duratei de viață) și reducerea luminozității. Ca și în exemplul anterior, curentul LED se măsoară cu ajutorul unui rezistor, iar raportul taxei este controlat în conformitate cu acest curent. Trebuie remarcat faptul că ameliorator de topologie are un dezavantaj serios: lipsa de protecție împotriva scurtcircuitelor, care ar putea provoca curent prea mare prin inductor și dioda, eșecul de circuit de ieșire sau o scădere bruscă a tensiunii de intrare.
În cazul în care tensiunea de intrare variază în limite largi și poate fi deasupra și sub puterea necesară pentru LED-uri, este necesar să se aplice o topologie descendentă de mărire combinată (vezi. Fig. 8).

Fig. 8. Jos - Convertor de impuls cu stabilizare curent cu LED-uri

Acest sistem este la fel ca amelioratorul că în puterea deschisă comută curent prin creșterile de înecare. Atunci când inductor cheie privată curent este transmisă la condensatorul de ieșire și LED-uri. Dar aici tensiunea de ieșire este pozitiv și negativ. De asemenea, rețineți că, în acest sistem, problema scurt-circuit este rezolvată. Protecția împotriva scurtcircuitelor este asigurată prin deschiderea comutatorului de alimentare Q1.
O altă caracteristică interesantă a acestui sistem este că, chiar dacă nu este nevoie de a schimba potențialul circuitului de măsurare a tensiunii de ieșire negativă. În această realizare, „sol“ care controlează circuitul integrat este conectat la o ieșire negativă, astfel încât tensiunea la rezistor de măsurare R100 este măsurat direct. Deși această diagramă arată doar un singur LED poate fi conectat înseriată de mai multe LED-uri. Tensiunea este limitată la controlul de tensiune circuitului integrat cel mai bine cotat: suma de intrare și de ieșire de tensiune nu poate depăși această limită.

Șuntare a circuitului de măsurare
Figura 9 prezintă trei configurații posibile: un filtru simplu, cu doar un inductor (a); Sursele tipice de filtru de alimentare (b); și îmbunătățit dosar-PA diagrama (B).

Fig. 9. Variante ale filtrului de ieșire

Pentru a afla diferențele în caracteristicile de control pentru fiecare dintre opțiuni, un model simplu a fost construit în P-Spice. Comutator alimentare FET și o dioda modelată ca o sursă de emf tensiune controlată cu un câștig de 10, iar LED-urile modelate ca 3 ohm rezistori conectate în serie cu o sursă de tensiune de 6 V. Între LED și „sol“ a fost adăugat 1 rezistor ohm, care servește pentru măsurarea amperaj. Rezultatele simulării sunt prezentate în Figura 10.

Fig. 10. Filtrele de amplificare și fază Grafuri

În cazul în care (a) corespunde răspunsului unui prim sistem de comandă stabil prin definiție. Buclă câștig DC este dat de tensiune controlată sursa EMF, divizorul este construit pe rezistența LED și rezistor pentru a măsura curent. Concluzii de circuit realizat din inductor și rezistență. Compensatorul este construit într-un circuit de tip liniar, cu un al doilea amplificator. Lanț (b) are un al doilea răspuns comandă datorită adăugării de condensator de ieșire. Acest condensator poate fi necesară dacă valoarea ridicată inacceptabilă a componentei pulsatorie a curentului cu LED-uri, fie din cauza interferențelor electromagnetice sau din alte motive. Buclă dc câștig este aceeași ca și în schema de pre-duschey. Cu toate acestea, există o pereche de poli complecși la o frecvență determinată de inductor de ieșire și condensator.
Full defazaj de filtrare este de 180 °. Acest lucru poate duce la instabilitatea sistemului, dacă nu acorde atenție la proiectarea circuitului de compensare. Circuitul compensator - este aceeași ca și în cazul tensiunii sursei de alimentare la modul standard, care necesită un amplificator de tip al treilea. Comparativ cu schema (a), se adaugă cele două componente suplimentare și condensator de ieșire. Schema (c) plasează conexiunea condensator de ieșire este schimbat pentru a oferi un circuit de compensare mai simplu. Componenta pulsantă tensiune pe LED-uri este aceeași ca și pentru schema (b), cu toate acestea, care curge curent ondulație prin rezistor R105 sufoca pentru măsurarea curentului. Acest lucru trebuie luat în considerare în calculul puterii de disipare. Funcția care descrie acest circuit are o pereche de poli și zero, astfel încât compensarea circuitului este aproape la fel de simplu ca circuit (a). Consolidarea circuitul de curent continuu pentru acest lucru este la fel ca în primele două circuite. Zero funcție apare datorită prezenței condensatorului și rezistența LED-uri de serie. Aici există doi poli, dintre care primul este determinat de un condensator și un rezistor pentru măsurarea curentului. Al doilea pol este determinată de un rezistor pentru măsurarea curentului și inductor. răspuns Temperatura acestui circuit este aceeași ca și în schema (a).

controlul luminozității
Este adesea necesar pentru a regla luminozitatea de LED-uri, de exemplu, pentru a controla luminozitatea ecranului sau construirea de iluminat. Există două moduri de a face acest lucru. Puteți fie controla curent cu LED-uri, sau transforma rapid și în afara acesteia. Controlul amperaj - cel mai eficient mod, deoarece eficiența luminoasă nu este în întregime o funcție liniară de intensitate a curentului. Mai mult decât atât, atunci când o valoare actuală mai mică decât cea nominală există o tendință de a schimba culoarea de emisie a LED-ului. Nu trebuie să uităm că percepția luminozității ochiului uman exponențial, astfel încât scăderea luminozității poate necesita un procent semnificativ de modificări curente. Aceasta are o mare influență asupra design de circuit. Din cauza toleranțelor privind parametrii sistemului de 3% eroare de regulament -lea la valoarea curentă completă poate avea ca rezultat o eroare de 30% sau mai mult la o sarcină de 10%.
Controlul luminozității se datorează puls lățime de modulare (PWM) DC - o metodă mai detaliată, cu toate că problema apare performanța dispozitivului. Pentru sursele de lumină și afișează frecvența PWM trebuie să depășească 100 Hz, pentru ochiul uman nu observă flicker. Lățimea impulsului% lățime 10 este cuprinsă în intervalul milisecundă și necesită actuala bandă de frecvență sursă mai mare de 10 kHz. Această cerință este realizată cu ușurință prin circuit simplu este prezentat în Figura 9a și 9b.
Figura 11 prezintă o treaptă de putere Buck pentru dimarea PWM.

Fig. 11. Tasta Q1 este utilizat pentru curent PWM cu LED-uri

În acest exemplu, LED-ul este pur și simplu pornit în circuitul și deconectat de la ea. Astfel, bucla de control este întotdeauna activ și oferă răspuns tranzitoriu extrem de rapid (vezi. Fig. 12).

Fig. 12. Metoda PWM asigură viteze de comutare sub-microsecunde LED-uri

concluzie
Deoarece utilizarea LED-urilor devine din ce mai frecvente, există mai multe întrebări de gestionare a energiei. LED-urile sunt tot mai folosite în industria de automobile în cazul în care siguranța și securitatea este foarte importantă. La bord rețea vehicul este un mediu foarte ostil din punctul de vedere al calității puterii. Prin urmare, protecția trebuie să fie proiectate astfel încât să mențină funcționarea la cursele de tensiune de 60 V, întâlnite la comutarea sarcinilor.
Utilizarea LED-uri pentru clădiri de iluminat pune probleme în curs de dezvoltare circuite de putere, cum ar fi surse de lumină operează adesea în mod independent, care necesită corectarea factorului de putere și de a furniza curent și controlul luminozității. În plus, LED-urile sunt o parte a echipamentului de proiecție și de televiziune, în cazul în care dezvoltatorii adăugat la problemele de asigurare a răspuns timp rapid, un control precis al curentului și pornit / oprit de control.