Усовершенствованная схема драйвера белого светодиода на полевом транзисторе

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2019

Dan Awtrey

Electronic Design

Соединив светодиод и MOSFET обедненного типа, можно создать эффективный управляемый драйвер на основе источника тока

Ярким светодиодам видимого диапазона нужен источник постоянного тока. В описанной ниже простой схеме такого источника, не создающей радиопомех, используются преимущества, предоставляемые новыми нормально открытыми мощными MOSFET обедненного типа.

Исторически простейшим способом управления такой нагрузкой, как светодиод, является использование постоянного или переменного сопротивления между источником питания и нагрузкой (Рисунок 1). Достоинством этой схемы является только низкая стоимость, поскольку ток не остается постоянным, а зависит от напряжения питания и изменяется с повышением температуры при увеличении токовой нагрузки. Низкий КПД можно улучшить, заменив пассивный резистор активным компонентом или схемой, сопротивление которой автоматически регулируется, чтобы поддерживать определенное значение тока, даже при изменениях напряжения питания и/или нагрузки.

Рисунок 1.	Простейшим способом задания тока светодиода является использование токоограничительного резистора.

Возможности источников постоянного тока, построенных с использованием нормально открытых полевых транзисторов с управляющим p-n переходом или обедненных MOSFET, ограничены очень низкими уровнями мощности. Эти устройства управляются напряжением, а не током, как в старых транзисторах с биполярным переходом. Если малосигнальные полевые транзисторы с p-n переходом доступны с каналами как p, так и n типов, то новые обедненные MOSFET, способные управлять большими токами, необходимыми для синих и белых светодиодов, в настоящее время ограничены n-типами.

В традиционных схемах источников тока на обедненных MOSFET (Рисунок 2) используются только МОП-транзистор и резистор (постоянный или переменный). Ток, проходящий через МОП-транзистор, создает падение напряжения на резисторе, сопротивление которого подобрано таким, чтобы это напряжение превышало напряжение отсечки на величину, необходимую для обеспечения требуемого постоянного тока I_O. Двухвыводной источник постоянного тока позволяет произвольно подключать нагрузку либо к стоку, либо, чаще всего, как показано на рисунке, к выводу затвора.

Рисунок 2.	Улучшенный вариант с полевым транзистором в качестве источника тока.

MOSFET обедненного типа IXTP3N50D2, выпускаемый компанией IXYS, управляет 5-ваттным светодиодом LZI-00NW05 компании LEDengin (190 лм при токе 1 А). Для схемы требуется резистор (R_CC) от 2 до 10 Ом мощностью от 1 до 2 Вт. Для достижения максимального КПД напряжение питания должно быть как можно ближе к прямому напряжению светодиода V_F.

Хотя традиционный источник постоянного тока компактен и эффективен, он обеспечивает лишь ограниченный диапазон управления током с помощью переменного резистора R_CC и обычно требует мощного постоянного резистора, индивидуально подобранного для каждого МОП-транзистора. Это связано с тем, что напряжение отсечки (V_GS(OFF)), необходимое для управления МОП-транзистором, имеет большой разброс от устройства к устройству, как и прямое напряжение V_F светодиода. Это делает схему непрактичной для массового производства.

Новая схема позволяет управлять напряжением отсечки (V_GS(OFF)) MOSFET обедненного типа. В ней мощный последовательный реостат R_CC стандартной схемы заменен светодиодом, а высокоомный потенциометр (делитель напряжения) включен параллельно светодиоду (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Включение потенциометра параллельно светодиоду вместо реостатного включения позволяет создать более эффективную архитектуру регулируемого источника тока, питающего светодиод.

В представленной на этой схеме комбинации обедненного MOSFET и светодиода полевой транзистор генерирует ток, управляемый напряжением, в то время как светодиод, подключенный непосредственно к стоку Q1, генерирует напряжение, зависящее от тока. Таким образом, максимальный ток проходит через светодиод тогда, когда движок потенциометра находится возле вывода R_CC, подключенного к истоку транзистора, и достигает минимального значения, определяемого прямым напряжением светодиода и напряжением V_GS(OFF) транзистора, когда движок перемещается к заземленному выводу потенциометра.

Чтобы при крайнем положении движка потенциометра исключить возможность протекания через светодиод слишком большого тока, способного вывести схему из строя, может потребоваться дополнительное небольшое сопротивление, включенное между затвором и R_CC, поскольку прямое соединение истока и затвора полностью откроет MOSFET. Прямое напряжение V_F одиночного белого светодиода находится в диапазоне от 3.6 до 3.8 В, а напряжение отсечки V_GS(OFF) транзистора IXTP3N50D2 имеет разброс от –2 до –4 В. Эта схема обеспечивает удобный способ регулирования в широком диапазоне яркости свечения светодиода любого цвета без необходимости учета характеристик конкретного МОП-транзистора или светодиода. Значения напряжений также показывают, что величины V_F одного белого светодиода недостаточно для того, чтобы в крайнем положении движка потенциометра управляющий МОП-транзистор был полностью закрыт (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Диапазон управляющих напряжений полевого транзистора перекрывает шкалу интенсивности свечения светодиода. (Желтым цветом выделен диапазон номинальных рабочих режимов светодиода).

Если же требуется диапазон управления транзистором от полного его включения до полного выключения, простое решение заключается в последовательном соединении двух светодиодов. Такая схема работает в устройстве автора при напряжениях питания в диапазоне от 2.8 до 12 В, и будет работать также до максимально допустимого напряжения полевого транзистора, однако для этого потребуется радиатор. Лучшим подходом было бы увеличить количество последовательных светодиодов, чтобы суммарное напряжение на них соответствовало напряжению питания с точки зрения рассеиваемого тепла и КПД. Например, 500-вольтовый 3-амперный MOSFET IXTP3N50D2 может в автономном приложении управлять тремя параллельными цепочками из ста 5-ваттных белых светодиодов.

Для установки напряжения на затворе обедненного MOSFET имеет значение не полное сопротивление потенциометра, а только отношение сопротивлений выше и ниже движка, умноженное на V_F светодиода. Полное сопротивление потенциометра определяет лишь потребляемый им ток и равно произведению n на прямое напряжение светодиода, деленному на сопротивление резистора R_CC, включенного параллельно светодиоду (где n – количество светодиодов в цепочке).

Для одиночного светодиода ток, идущий через 100-килоомный потенциометр, включенный параллельно светодиоду, составляет всего 0.037 мА (0.14 мВт), поэтому подойдет любой подстроечный резистор, что на порядки лучше, чем использование последовательного реостата. Кроме того, поскольку MOSFET управляется напряжением, сопротивление потенциометра может в разы превышать это значение и при этом соответствовать характеристикам транзистора, что позволяет дополнительно снизить потери мощности в цепи управления до ничтожных значений. При последовательном соединении двух и более светодиодов сопротивление потенциометра может быть пропорционально увеличено до 200 кОм (или более), чтобы сохранить тот же уровень энергопотребления.

Кроме того, поскольку схема не содержит реактивных или переключающих компонентов, она имеет коэффициент мощности, равный единице. Она также не создает электромагнитных помех, и поэтому не попадает в сферу регулирования Части 15 правил F_CC, регламентирующих уровни ЭМИ.

Материалы по теме