Управление стандартными светодиодами с помощью токоограничительных диодов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2015

Diotec Semiconductor

Стандартные светодиоды находят широкое применение в разнообразных светотехнических устройствах, используемых в качестве световых указателей и сигнальных огней, для подсветки интерьеров и мебели, в оптических индикаторах и множестве других приложений. Новые подходы даже позволяют использовать матрицы стандартных светодиодов для замены трубчатых люминесцентных ламп. Стандартные светодиоды надежны, долговечны, доступны в больших количествах по невысоким ценам и потребляют очень небольшую мощность, обычно не превышающую 100 мВт. Типичный рабочий ток таких устройств составляет 20 мА ¹), при этом прямое падение напряжения лежит в пределах от 2 до 4 В. Ниже описаны дешевые драйверы таких светодиодов, основанные на токоограничивающих диодах серии CLxxMyy, предлагаемых компанией Diotec. В этой серии выпускаются диоды с рабочими токами 15, 20 или 40 мА и максимальным напряжением 90 В. Диоды CL15M35, CL20M35 и CL40M35 упаковываются в корпуса SMA, а CL15M45, CL20M45 и CL40M45 – в SMB.

Токоограничительные диоды (CLD)

Подобно тому, как стабилитрон поддерживает напряжение постоянным в широком диапазоне токов, токоограничивающий диод, или CLD (Current Limiting Diode), поддерживает неизменный ток в широком диапазоне прямых напряжений. На Рисунке 1 показаны типичная зависимость тока I_F такого CLD от приложенного к нему напряжения V_F и графическое обозначение CLD. Если приложить положительное напряжение между анодом и катодом (обозначенным знаком катода), ток через прибор будет возрастать до тех пор, пока не достигнет постоянного значения I_P. Начало этой области ограничения определяется предельным напряжением V_L, при котором ток I_L достигает 80% тока I_P. Ток I_P остается постоянным, до тех пор, напряжение V_AK не достигнет максимально допустимого значения V_AK, выше которого происходит пробой, и устройство может быть повреждено. В обратном направлении тока граничное напряжение V_R достигается намного быстрее. Таким образом, диапазон рабочих напряжений находится между V_L и V_AK, где ток поддерживается на постоянном уровне I_P. Режим работы в области обратного смещения обычно не используется.

Рисунок 1.

Такая функциональная особенность CLD позволяет использовать его для питания светодиодов постоянным током I_P от источника изменяющегося напряжения V_IN, (Рисунок 2). Единственным требованием является строгое ограничение падения напряжения на CLD до значения меньшего V_AK, равного, как видно из рисунка, разности V_IN и падения напряжения на светодиоде V_F-LED.

Рисунок 2.

Например, CL20Mxx предназначен для стабилизации типичного для стандартных светодиодов тока I_P = 20 мА при напряжении V_AK равном 90 В. Таким образом, в простейшем случае этот CLD может использоваться для управления одним светодиодом при напряжении питания источника приблизительно от 10 В постоянного тока до 90 В. Для более высоких токов можно использовать CLD CL40Mxx, рассчитанный на то I_P равный 40 мА. CLD можно даже включать параллельно, но рассеиваемая мощность и потери при этом, конечно же, увеличатся.

Однако в большинстве случаев источником входного напряжения является сеть переменного тока, а значит, потребуется дополнительный выпрямитель. Если схема подключается непосредственно к сети переменного тока 110 В или 230 В, амплитудное значение напряжения V_IN может быть весьма большим, достигая 350 В. Для уменьшения входного напряжения до приемлемого уровня до настоящего времени требовалось достаточно большое число дополнительных компонентов, включая электролитические конденсаторы для сглаживания пульсаций. Такие схемы получаются сложными и дорогими, а срок их службы невелик, главным образом, из-за использования электролитических конденсаторов.

Ниже показано, как используя лишь мостовой выпрямитель, один или два CLD и один пленочный конденсатор, можно построить драйвер цепочки светодиодов с прямым подключением к сети переменного тока 110 В или 230 В.

Решение, использовавшееся до настоящего времени:
требуется 5 компонентов; имеет ограниченный срок службы

На Рисунке 3 показан традиционный способ подключения светодиодов к сети переменного тока. Для стабилизации тока светодиода на уровне I_F требуются стабилитрон, электролитический конденсатор и мощный резистор. Из всех компонентов наименьший срок службы имеет электролитический конденсатор, который и определяет долговечность схемы. Во время включения может возникнуть бросок тока через мост, вызванный начальными зарядами сетевого и электролитического конденсаторов. По этой причине здесь используется мостовой выпрямитель S250 компании Diotec, выдерживающий очень большие пусковые токи – 40 А при частоте 50 Гц.

Рисунок 3.

Новое решение, пример 1:
всего 3 компонента и увеличенный срок службы²)

Рисунок 4.

Представленная на Рисунке 4 схема, управляющая одним или несколькими стандартными светодиодами в широком диапазоне входных напряжений, состоит всего из трех компонентов. Конденсатор C в цепи напряжения переменного тока имеет импеданс

где f – частота сети.

В зависимости от выходной мощности и связанного с ней входного тока сети, на этом импедансе падает напряжение. Емкость конденсатора С должна быть выбрана такой, чтобы напряжение на CLD гарантированно не превысило значения V_AK.

Новое решение, пример 2:
всего 3 компонента для управления светодиодной цепочкой от сети переменного тока 110 В²)

Рисунок 5.

Схема, изображенная на Рисунке 5, может управлять не только одним, но и целой цепочкой стандартных светодиодов. Результирующее падение напряжения на последовательно включенных светодиодах достаточно велико, чтобы допустимое значение V_AK гарантированно не было превышено. Таким образом, используя лишь один выпрямительный мост и один CLD, можно сделать светильник, работающий от сети переменного тока 110 В. Используемый здесь диодный мост Protectifiers S125K отличается повышенной стойкостью к электростатическим разрядам, что обеспечивает дополнительную защиту светодиодной цепочки.
 

Для питания светодиодной цепочки от сети 110 В переменного тока достаточно всего трех компонентов.

Новое решение, пример 3:
всего 3 компонента для управления светодиодной цепочкой от сети переменного тока 230 В ²)

На Рисунке 6 показана такая же схема, но работающая от сети переменного тока 230 В. Из-за более высокого амплитудного напряжения в цепочке используется большее число последовательно соединенных светодиодов. Как и в предыдущем примере, для законченной схемы достаточно одного мостового выпрямителя! В схеме используется диодный мост Protectifiers S250K с повышенной устойчивостью к электростатическим разрядам, являющийся дополнительным элементом защиты цепочки светодиодов.

Рисунок 6.

Для защиты цепи от коротких замыканий рекомендуется использовать дополнительный сетевой предохранитель ²⁾.

---

¹⁾ Не следует путать понятия «стандартный светодиод» и «мощный светодиод». У последнего рабочий ток находится в диапазоне от 350 до 700 мА.

²⁾ Эта публикация является лишь иллюстрацией и не должна рассматриваться как законченное решение с подтвержденными техническими характеристиками схемы. Мы не даем никаких выраженных или подразумеваемых гарантий в отношении возможностей, характеристик или пригодности какой либо из предложенных схем, а также не предоставляем никаких лицензий и не передаем своих патентных прав другим лицам.