Регулирование яркости светодиодов. Шим диммер для светодиодного освещения NCP4589 — LDO-регулятор с автоматическим энергосбережением

С микросхемой NE555 (аналог КР1006) знаком каждый радиолюбитель. Её универсальность позволяет конструировать самые разнообразные самоделки: от простого одновибратора импульсов с двумя элементами в обвязке до многокомпонентного модулятора. В данной статье будет рассмотрена схема включения таймера в режиме генератора прямоугольных импульсов с широтно-импульсной регулировкой.

Схема и принцип её работы

С развитием мощных светодиодов NE555 снова вышла на арену в роли регулятора яркости (диммера), напомнив о своих неоспоримых преимуществах. Устройства на её основе не требуют глубоких знаний электроники, собираются быстро и работают надёжно.

Известно, что управлять яркостью светодиода можно двумя способами: аналоговым и импульсным. Первый способ предполагает изменение амплитудного значения постоянного тока через светодиод. Такой способ имеет один существенный недостаток - низкий КПД. Второй способ подразумевает изменение ширины импульсов (скважности) тока с частотой от 200 Гц до нескольких килогерц. На таких частотах мерцание светодиодов незаметно для человеческого глаза. Схема ШИМ-регулятора с мощным выходным транзистором показана на рисунке. Она способна работать от 4,5 до 18 В, что свидетельствует о возможности управления яркостью как одного мощного светодиода, так и целой светодиодной лентой. Диапазон регулировки яркости колеблется от 5 до 95%. Устройство представляет собой доработанную версию генератора прямоугольных импульсов. Частота этих импульсов зависит от ёмкости C1 и сопротивлений R1, R2 и определяется по формуле: f=1/(ln2*(R1+2*R2)*C1), Гц

Принцип действия электронного регулятора яркости заключается в следующем. В момент подачи напряжения питания начинает заряжаться конденсатор по цепи: +Uпит – R2 – VD1 –R1 –C1 – -U пит. Как только напряжение на нём достигнет уровня 2/3U пит откроется внутренний транзистор таймера и начнется процесс разрядки. Разряд начинается с верхней обкладки C1 и далее по цепи: R1 – VD2 –7 вывод ИМС – -U пит. Достигнув отметки 1/3U пит транзистор таймера закроется и C1 вновь начнет набирать ёмкость. В дальнейшем процесс повторяется циклически, формируя на выводе 3 прямоугольные импульсы.

Изменение сопротивления подстроечного резистора приводит к уменьшению (увеличению) времени импульса на выходе таймера (вывод 3), и как следствие, уменьшается (увеличивается) среднее значение выходного сигнала. Сформированная последовательность импульсов через токоограничивающий резистор R3 поступает на затвор VT1, который включен по схеме с общим истоком. Нагрузка в виде светодиодной ленты или последовательно включенных мощных светодиодов включается в разрыв цепи стока VT1.

В данном случае установлен мощный MOSFET транзистор с максимальным током стока 13А. Это позволяет управлять свечением светодиодной ленты длиной в несколько метров. Но при этом транзистору может потребоваться теплоотвод.

Блокирующий конденсатор C2 исключает влияние помех, которые могут возникать по цепи питания в моменты переключения таймера. Величина его ёмкости может быть любой в пределах 0,01-0,1 мкФ.

Плата и детали сборки регулятора яркости

Односторонняя печатная плата имеет размер 22х24 мм. Как видно из рисунка на ней нет ничего лишнего, что могло бы вызвать вопросы.

После сборки схема ШИМ-регулятора яркости не требует наладки, а печатная плата легка в изготовке своими руками. В плате, кроме подстроечного резистора, используются SMD элементы.

DA1 – ИМС NE555;
VT1 – полевой транзистор IRF7413;
VD1,VD2 – 1N4007;
R1 – 50 кОм, подстроечный;
R2, R3 – 1 кОм;
C1 – 0,1 мкФ;
C2 – 0,01 мкФ.

Транзистор VT1 должен подбираться в зависимости от мощности нагрузки. Например, для изменения яркости одноваттного светодиода достаточно будет биполярного транзистора с максимально допустимым током коллектора 500 мА.

Управление яркостью светодиодной ленты должно осуществляться от источника напряжения +12 В и совпадать с её напряжением питания. В идеале регулятор должен питаться от стабилизированного блока питания, специально предназначенного для ленты.

Нагрузка в виде отдельных мощных светодиодов запитывается иначе. В этом случае источником питания диммера служит стабилизатор тока (его еще называют драйвер для светодиода). Его номинальный выходной ток должен соответствовать току последовательно включенных светодиодов.

Читайте так же

В некоторых случаях, например, в фонариках или домашних осветительных приборах, возникает необходимость регулировать яркость свечения. Казалось бы, чего уж проще: достаточно изменить ток через светодиод, увеличив или уменьшив . Но в этом случае на ограничительном резисторе будет расходоваться значительная часть энергии, что совсем недопустимо при автономном питании от батарей или аккумуляторов.

Кроме того, цвет свечения светодиодов будет изменяться: например, белый цвет при понижении тока меньше номинального (для большинства светодиодов 20мА) будет иметь несколько зеленоватый оттенок. Такое изменение цвета в ряде случаев совершенно ни к чему. Представьте себе, что эти светодиоды подсвечивают экран телевизора или компьютерного монитора.

В этих случаях применяется ШИМ - регулирование (широтно - импульсное) . Смысл его в том, что периодически зажигается и гаснет. При этом ток на протяжении всего времени вспышки остается номинальным, поэтому спектр свечения не искажается. Уж если светодиод белый, то зеленые оттенки появляться не будут.

К тому же при таком способе регулирования мощности потери энергии минимальны, КПД схем с ШИМ регулированием очень высок, достигает 90 с лишним процентов.

Принцип ШИМ - регулирования достаточно простой, и показан на рисунке 1. Различное соотношение времени зажженного и погашенного состояния на глаз воспринимается как : как в кино - отдельно показываемые поочередно кадры воспринимаются как движущееся изображение. Здесь все зависит от частоты проекции, о чем разговор будет чуть позже.

Рисунок 1. Принцип ШИМ - регулирования

На рисунке изображены диаграммы сигналов на выходе устройства управления ШИМ (или задающий генератор). Нулем и единицей обозначены : логическая единица (высокий уровень) вызывает свечение светодиода, логический нуль (низкий уровень), соответственно, погасание.

Хотя все может быть и наоборот, поскольку все зависит от схемотехники выходного ключа, - включение светодиода может осуществляться низким уровнем а выключение, как раз высоким. В этом случае физически логическая единица будет иметь низкий уровень напряжения, а логический нуль высокий.

Другими словами, логическая единица вызывает включение какого-то события или процесса (в нашем случае засвечивание светодиода), а логический нуль должен этот процесс отключить. То есть не всегда высокий уровень на выходе цифровой микросхемы является ЛОГИЧЕСКОЙ единицей, все зависит от того, как построена конкретная схема. Это так, для сведения. Но пока будем считать, что ключ управляется высоким уровнем, и по-другому просто быть не может.

Частота и ширина управляющих импульсов

Следует обратить внимание на то, что период следования импульсов (или частота) остается неизменным. Но, в общем, частота импульсов на яркость свечения влияния не оказывает, поэтому, к стабильности частоты особых требований не предъявляется. Меняется лишь длительность (ШИРИНА), в данном случае, положительного импульса, за счет чего и работает весь механизм широтно-импульсной модуляции.

Длительность управляющих импульсов на рисунке 1 выражена в %%. Это так называемый «коэффициент заполнения» или, по англоязычной терминологии, DUTY CYCLE. Выражается отношением длительности управляющего импульса к периоду следования импульсов.

В русскоязычной терминологии обычно используется «скважность» - отношение периода следования к времени импульс а. Таким образом если коэффициент заполнения 50%, то скважность будет равна 2. Принципиальной разницы тут нет, поэтому, пользоваться можно любой из этих величин, кому как удобней и понятней.

Здесь, конечно, можно было бы привести формулы для расчета скважности и DUTY CYCLE, но, чтобы не усложнять изложение, обойдемся без формул. В крайнем случае, закон Ома. Уж тут ничего не поделаешь: «Не знаешь закон Ома, сиди дома!». Если уж кого эти формулы заинтересуют, то их всегда можно найти на просторах Интернета.

Частота ШИМ для светорегулятора

Как было сказано чуть выше, особых требований к стабильности частоты импульсов ШИМ не предъявляется: ну, немного «плавает», да и ладно. Подобной нестабильностью частоты, кстати, достаточно большой, обладают ШИМ - регуляторы , что не мешает их применению во многих конструкциях. В данном случае важно лишь, чтобы эта частота не стала ниже некоторого значения.

А какая должна быть частота, и насколько она может быть нестабильна? Не забывайте, что речь идет о светорегуляторах. В кинотехнике существует термин «критическая частота мельканий». Это частота, при которой отдельные картинки, показываемые друг за другом, воспринимаются как движущееся изображение. Для человеческого глаза эта частота составляет 48Гц.

Вот именно по этой причине частота съемки на кинопленке составляла 24кадр/сек (телевизионный стандарт 25кадр/сек). Для повышения этой частоты до критической в кинопроекторах применяется двухлопастной обтюратор (заслонка) дважды перекрывающий каждый показываемый кадр.

В любительских узкопленочных 8мм проекторах частота проекции составляла 16кадр/сек, поэтому обтюратор имел аж три лопасти. Тем же целям в телевидении служит тот факт, что изображение показывается полукадрами: сначала четные, а потом нечетные строки изображения. В результате получается частота мельканий 50Гц.

Работа светодиода в режиме ШИМ представляет собой отдельные вспышки регулируемой длительности. Чтобы эти вспышки воспринимались на глаз как непрерывное свечение, их частота должна быть никак не меньше критической. Выше сколько угодно, но ниже никак нельзя. Этот фактор следует учитывать при создании ШИМ - регуляторов для светильников .

Кстати, просто, как интересный факт: ученые каким-то образом определили, что критическая частота для глаза пчелы составляет 800Гц. Поэтому кинофильм на экране пчела увидит как последовательность отдельных изображений. Для того, чтобы она увидела движущееся изображение, частоту проекции потребуется увеличить до восьмисот полукадров в секунду!

Для управления собственно светодиодом используется . В последнее время наиболее широко для этой цели используются , позволяющие коммутировать значительную мощность (применение для этих целей обычных биполярных транзисторов считается просто неприличным).

Такая потребность, (мощный MOSFET - транзистор) возникает при большом количестве светодиодов, например, при , о которых будет рассказано чуть позже. Если же мощность невелика - при использовании одного - двух светодиодов, можно использовать ключи на маломощных , а при возможности подключать светодиоды непосредственно к выходам микросхем.

На рисунке 2 показана функциональная схема ШИМ - регулятора. В качестве элемента управления на схеме условно показан резистор R2. Вращением его ручки можно в необходимых пределах изменять скважность управляющих импульсов, а, следовательно, яркость светодиодов.

Рисунок 2. Функциональная схема ШИМ - регулятора

На рисунке показаны три цепочки последовательно соединенных светодиодов с ограничивающими резисторами. Примерно такое же соединение применяется в светодиодных лентах. Чем длиннее лента, тем больше светодиодов, тем больше потребляемый ток.

Именно в этих случаях потребуются мощные , допустимый ток стока которых должен быть чуть больше тока, потребляемого лентой. Последнее требование выполняется достаточно легко: например, у транзистора IRL2505 ток стока около 100А, напряжение стока 55В, при этом, его размеры и цена достаточно привлекательны для использования в различных конструкциях.

Задающие генераторы ШИМ

В качестве задающего ШИМ - генератора может использоваться микроконтроллер (в промышленных условиях чаще всего), или схема, выполненная на микросхемах малой степени интеграции. Если в домашних условиях предполагается изготовить незначительное количество ШИМ - регуляторов, а опыта создания микроконтроллерных устройств нет, то лучше сделать регулятор на том, что в настоящее время оказалось под рукой.

Это могут быть логические микросхемы серии К561, интегральный таймер , а также специализированные микросхемы, предназначенные для . В этой роли можно заставить работать даже , собрав на нем регулируемый генератор, но это уж, пожалуй, «из любви к искусству». Поэтому, далее будут рассмотрены только две схемы: самая распространенная на таймере 555, и на контроллере ИБП UC3843.

Схема задающего генератора на таймере 555

Рисунок 3. Схема задающего генератора

Эта схема представляет собой обычный генератор прямоугольных импульсов, частота которого задается конденсатором C1. Заряд конденсатора происходит по цепи «Выход - R2 - RP1- C1 - общий провод». При этом на выходе должно присутствовать напряжение высокого уровня, что равнозначно, что выход соединен с плюсовым полюсом источника питания.

Разряжается конденсатор по цепи «C1 - VD2 - R2 - Выход - общий провод» в то время, когда на выходе присутствует напряжение низкого уровня, - выход соединен с общим проводом. Вот эта разница в путях заряда - разряда времязадающего конденсатора и обеспечивает получение импульсов с регулируемой шириной.

Следует заметить, что диоды, даже одного типа, имеют разные параметры. В данном случае играет роль их электрическая емкость, которая изменяется под действием напряжения на диодах. Поэтому вместе с изменением скважности выходного сигнала меняется и его частота.

Главное, чтобы она не стала меньше критической частоты, о которой было упомянуто чуть выше. Иначе вместо равномерного свечения с различной яркостью будут видны отдельные вспышки.

Приблизительно (опять же виноваты диоды) частоту генератора можно определить по формуле, показанной ниже.

Частота генератора ШИМ на таймере 555.

Если в формулу емкость конденсатора подставить в фарадах, сопротивление в Омах, то результат должен получиться в герцах Гц: от системы СИ никуда не денешься! При этом подразумевается, что движок переменного резистора RP1 находится в среднем положении (в формуле RP1/2), что соответствует выходному сигналу формы меандр. На рисунке 2 это как раз та часть, где указана длительность импульса 50%, что равнозначно сигналу со скважностью 2.

Задающий генератор ШИМ на микросхеме UC3843

Его схема показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема задающего генератора ШИМ на микросхеме UC3843

Микросхема UC3843 является управляющим ШИМ - контроллером для импульсных блоков питания и применяется, например, в компьютерных источниках формата ATX. В данном случае типовая схема ее включения несколько изменена в сторону упрощения. Для управления шириной выходного импульса на вход схемы подается регулирующее напряжение положительной полярности, то на выходе получается импульсный сигнал ШИМ.

В простейшем случае регулирующее напряжение можно подать с помощью переменного резистора сопротивлением 22…100КОм. При необходимости можно управляющее напряжение получать, например, с аналогового датчика освещенности, выполненного на фоторезисторе: чем темнее за окном, тем светлее в комнате.

Регулирующее напряжение воздействует на выход ШИМ, таким образом, что при его снижении ширина выходного импульса увеличивается, что вовсе не удивительно. Ведь исходное назначение микросхемы UC3843 - стабилизация напряжения блока питания: если выходное напряжение падает, а вместе с ним и регулирующее напряжение, то надо принимать меры (увеличивать ширину выходного импульса) для некоторого повышения выходного напряжения.

Регулирующее напряжение в блоках питания вырабатывается, как правило, с помощью стабилитронов. Чаще всего это или им подобные.

При указанных на схеме номиналах деталей частота генератора около 1КГц, и в отличие от генератора на таймере 555, она при изменении скважности выходного сигнала не «плавает» - забота о постоянстве частоты импульсных блоков питания.

Чтобы регулировать значительную мощность, например, светодиодная лента, к выходу следует подключить ключевой каскад на транзисторе MOSFET, как было показано на рисунке 2.

Можно было бы и побольше рассказать о ШИМ - регуляторах, но пока остановимся на этом, а в следующей статье рассмотрим различные способы подключения светодиодов. Ведь не все способы одинаково хороши, есть такие, которых следует избегать, да и просто ошибок при подключении светодиодов случается предостаточно.

Стандартная схема драйвера светодиодов РТ4115 представлена на рисунке ниже:

Напряжение питания должно быть по-крайней мере на 1.5-2 вольта выше, чем суммарное напряжение на светодиодах. Соответственно, в диапазоне питающих напряжений от 6 до 30 вольт, к драйверу можно подключить от 1 до 7-8 светодиодов.

Максимальное напряжение питания микросхемы 45 В , но работа в таком режиме не гарантируется (лучше обратите внимание на аналогичную микросхему ).

Ток через светодиоды имеет треугольную форму с максимальным отклонением от среднего значения ±15%. Средний ток через светодиоды задается резистором и рассчитывается по формуле:

I LED = 0.1 / R

Минимально допустимое значение R = 0.082 Ом, что соответствует максимальному току 1.2 А.

Отклонение тока через светодиод от расчетного не превышает 5%, при условии монтажа резистора R с максимальным отклонением от номинала 1%.

Итак, для включения светодиода на постоянную яркость вывод DIM оставляем висеть в воздухе (он внутри PT4115 подтянут к уровню 5В). При этом ток на выходе определяется исключительно сопротивлением R.

Если между выводом DIM и "землей" включить конденсатор, мы получим эффект плавного зажигания светодиодов. Время выхода на максимальную яркость будет зависеть от емкости конденсатора, чем она больше, тем дольше будет разгораться светильник.

Для справки: каждый нанофарад емкости увеличивает время включения на 0.8 мс.

Если же требуется сделать диммируемый драйвер для светодиодов с регулировкой яркости от 0 до 100%, то можно прибегнуть к одному из двух способов:

Первый способ предполагает подачу на вход DIM постоянного напряжения в диапазоне от 0 до 6В. При этом регулировка яркости от 0 до 100% осуществляется при напряжении на выводе DIM от 0.5 до 2.5 вольт. Увеличение напряжения выше 2.5 В (и вплоть до 6 В) никак не влияет на ток через светодиоды (яркость не меняется). Напротив, уменьшение напряжения до уровня 0.3В или ниже приводит к отключению схемы и переводу ее в режим ожидания (ток потребления при этом падает до 95 мкА). Таким образом, можно эффективно управлять работой драйвера без снятия напряжения питания.
Второй способ подразумевает подачу сигнала с широтно-импульсного преобразователя с выходной частотой 100-20000 Гц, яркость будет определяться коэффициентом заполнения (скважностью импульсов). Например, если высокий уровень будет держаться 1/4 часть периода, а низкий уровень, соответственно, 3/4, то это будет соответствовать уровню яркости в 25% от максимума. Надо понимать, что частота работы драйвера определяется индуктивностью дросселя и ни коем образом не зависит от частоты диммирования.

Схема драйвера светодиодов PT4115 с регулятором яркости постоянным напряжением представлена на рисунке ниже:

Такая схема регулировки яркости светодиодов прекрасно работает благодаря тому, что внутри микросхемы вывод DIM "подтянут" к шине 5В через резистор сопротивлением 200 кОм. Поэтому, когда ползунок потенциометра находится в крайнем нижнем положении, образуется делитель напряжения 200 + 200 кОм и на выводе DIM формируется потенциал 5/2=2.5В, что соответствует 100%-ой яркости.

Как работает схема

В первый момент времени, при подаче входного напряжения, ток через R и L равен нулю и встроенный в микросхему выходной ключ открыт. Ток через светодиоды начинает плавно нарастать. Скорость нарастания тока зависит от величины индуктивности и напряжения питания. Внутрисхемный компаратор сравнивает потенциалы до и после резистора R и, как только разница составит 115 мВ, на его выходе появляется низкий уровень, который закрывает выходной ключ.

Благодаря запасенной в индуктивности энергии, ток через светодиоды не исчезает мгновенно, а начинает плавно уменьшаться. Постепенно уменьшается и падение напряжения на резисторе R. Как только оно достигнет величины в 85 мВ, компаратор снова выдаст сигнал на открытие выходного ключа. И весь цикл повторяется сначала.

Если необходимо уменьшить размах пульсаций тока через светодиоды, допускается подключить конденсатор параллельно светодиодам. Чем больше будет его емкость, тем сильнее будет сглажена треугольная форма тока через светодиоды и тем более она станет похожа на синусоидальную. Конденсатор не влияет на рабочую частоту или эффективность работы драйвера, но увеличивает время установления заданного тока через светодиод.

Важные нюансы сборки

Важным элементом схемы является конденсатор C1. Он не просто сглаживает пульсации, но и компенсирует энергию, накопленную в катушке индуктивности в момент закрытия выходного ключа. Без C1 запасенная в дросселе энергия поступит через диод Шоттки на шину питания и может спровоцировать пробой микросхемы. Поэтому если включить драйвер без шунтирующего питание конденсатора, микросхема почти гарантированно накроется. И чем больше индуктивность дросселя, тем больше шансов спалить микруху.

Минимальная емкость конденсатора C1 - 4.7 мкФ (а при питании схемы пульсирующим напряжением после диодного моста - не менее 100 мкФ).

Конденсатор должен располагаться как можно ближе к микросхеме и иметь как можно более низкое значение ESR (т.е. танталовые кондеры приветствуются).

Также очень важно ответственно подойти к выбору диода. Он должен иметь малое прямое падение напряжения, короткое время восстановления во время переключения и стабильность параметров при повышении температуры p-n перехода, чтобы не допустить увеличения тока утечки.

В принципе, можно взять и обычный диод, но лучше всего под эти требования подходят диоды Шоттки. Например, STPS2H100A в SMD-исполнении (прямое напряжение 0.65V, обратное - 100V, ток в импульсе до 75А, рабочая температура до 156°C) или FR103 в корпусе DO-41 (обратное напряжение до 200V, ток до 30А, температура до 150°C). Очень неплохо себя показали распространенные SS34 , которые можно надергать из старых плат или купить целую пачку за 90 рублей .

Индуктивность дросселя зависит от выходного тока (см. таблицу ниже). Неверно выбранное значение индуктивности может привести к увеличению рассеиваемой на микросхеме мощности и выходу за пределы рабочего температурного режима.

При перегреве выше 160°C микросхема автоматически выключится и будет находиться в выключенном состоянии до тех пор пока не остынет до 140°C, после чего запустится автоматически.

Несмотря на имеющиеся табличные данные, допускается монтаж катушки с отклонением индуктивности в большую сторону от номинала. При этом изменяется КПД всей схемы, но она остается работоспособной.

Дроссель можно взять фабричный, а можно сделать своими руками из ферритового кольца от сгоревшей материнской платы и провода ПЭЛ-0,35.

Если важна максимальная автономность устройства (переносные светильники, фонари), то, в целях повышения эффективности схемы, имеет смысл потратить время на тщательный подбор дросселя. На малых токах индуктивность должна быть больше, чтобы минимизировать погрешности управления током, возникающие из-за задержки при переключении транзистора.

Дроссель должен располагаться как можно ближе к выводу SW, в идеале - подключен напрямую к нему.

И, наконец, самый прецизионный элемент схемы драйвера светодиода - резистор R. Как уже было сказано, его минимальное значение равно 0,082 Ом, что соответствует току 1,2 А.

К сожалению, не всегда удается найти резистор подходящего номинала, поэтому самое время вспомнить формулы расчета эквивалентного сопротивления при последовательном и параллельном включении резисторов:

R посл = R 1 +R 2 +…+R n ;
R пар = (R 1 xR 2) / (R 1 +R 2).

Комбинируя различные способы включения, можно получить требуемое сопротивление из нескольких имеющихся под рукой резисторов.

Важно так развести плату, чтобы ток диода Шоттки не протекал по дорожке между R и VIN, так как это может привести к погрешностям измерения тока нагрузки.

Низкая стоимость, высокая надежность и стабильность характеристик драйвера на РТ4115 способствует его повсеместному использованию в светодиодных лампах. Практически каждая вторая 12-вольтовая LED-лампа с цоколем MR16 собрана на PT4115 (или СL6808).

Сопротивление токозадающего резистора (в Омах) рассчитывается точно по такой же формуле:

R = 0.1 / I LED [A]

Типовая схема включения выглядит так:

Как видите, все очень похоже на схему светодиодной лампы с драйвером на РТ4515. Описание работы, уровни сигналов, особенности используемых элементов и компоновки печатной платы точно такие же как у , поэтому повторяться не имеет смысла.

CL6807 продают по 12 руб/шт, надо только смотреть, чтоб не подсунули паяные (рекомендую брать ).

SN3350

SN3350 - очередная недорогая микросхема для светодиодных драйверов (13 руб/штучка). Является практически полным аналогом PT4115 с той лишь разницей, что напряжение питания может лежать в диапазоне от 6 до 40 вольт, а максимальный выходной ток ограничен 750 миллиамперами (длительный ток не должен превышать 700 мА).

Как и все вышеописанные микросхемы, SN3350 представляет собой импульсный step-down преобразователь с функцией стабилизации выходного тока. Как обычно, ток в нагрузке (а в нашем случае в роли нагрузки выступают один или несколько светодиодов) задается сопротивлением резистора R:

R = 0.1 / I LED

Чтобы не превысить значение максимального выходного тока, сопротивление R не должно быть ниже 0.15 Ом.

Микросхема выпускается в двух корпусах: SOT23-5 (максимум 350 мА) и SOT89-5 (700 мА).

Как обычно, подавая постоянное напряжение на вывод ADJ, мы превращаем схему в простейший регулируемый драйвер для светодиодов.

Особенностью данной микросхемы является несколько иной диапазон регулировки: от 25% (0.3В) до 100% (1.2В). При снижении потенциала на выводе ADJ до 0.2В, микросхема переходит в спящий режим с потреблением в районе 60 мкА.

Типовая схема включения:

Остальные подробности смотрите в спецификации на микросхему (pdf-файл).

ZXLD1350

Не смотря на то, что эта микросхема является очередным клоном , некоторые отличия в технических характеристиках не допускают их прямую замену друг на друга.

Вот главные отличия:

микросхема стартует уже при 4.8В, но на нормальный режим работы выходит только при напряжении питания от 7 до 30 Вольт (на полсекунды допускается подавать до 40В);
максимальный ток нагрузки - 350 мА;
сопротивление выходного ключа в открытом состоянии - 1.5 - 2 Ома;
изменением потенциала на выводе ADJ от 0.3 до 2.5В можно менять выходной ток (яркость светодиода) в диапазоне от 25 до 200%. При напряжении 0.2В в течении, как минимум, 100 мкс, драйвер переходит в спящий режим с низким потреблением энергопотреблением (порядка 15-20 мкА);
если регулировка осуществляется ШИМ-сигналом, то при частоте следования импульсов ниже 500 Гц, диапазон изменения яркости составляет 1-100%. Если же частота выше 10 кГц, то от 25% до 100%;

Максимальное напряжение, которое можно подавать на вход регулировки яркости (ADJ) составляет 6В. При этом в диапазоне от 2.5 до 6В драйвер выдает максимальный ток, который задан токоограничительным резистором. Сопротивление резистора рассчитывается точно так же, как во всех вышеперечисленных микросхемах:

R = 0.1 / I LED

Минимальное сопротивление резистора - 0.27 Ом.

Типовая схема включения ничем не отличается от своих собратьев:

Без конденсатора С1 подавать питание не схему НЕЛЬЗЯ!!! В лучшем случае микросхема будет перегреваться и выдавать нестабильные характеристики. В худшем случае - мгновенно выйдет из строя.

Более подробные характеристики ZXLD1350 можно найти в даташите на эту микросхему .

Стоимость микросхемы неоправданно высокая (), при том, что выходной ток довольно небольшой. В общем, сильно на любителя. Я б не связывался.

QX5241

QX5241 - это китайский аналог MAX16819 (MAX16820), но в более удобном корпусе. Также выпускается под наименованиями KF5241, 5241B. Имеет маркировку "5241a" (см. фото).

В одном известном магазине их продают чуть ли не на вес (10 штук за 90 руб).

Драйвер работает по точно такому же принципу, как и все вышеописанные (понижающий преобразователь непрерывного действия), однако не содержит в своем составе выходной ключ, поэтому для работы требуется подключение внешнего полевого транзистора.

Можно взять любой N-канальный MOSFET с подходящим током стока и напряжением сток-исток. Подойдут, например, такие: SQ2310ES (до 20V!!!), 40N06 , IRF7413 , IPD090N03L , IRF7201 . Вообще, чем ниже будет напряжение открытия, тем лучше.

Вот некоторые ключевые характеристики LED-драйвера на QX5241:

максимальный выходной ток - 2.5 А;
КПД до 96%;
максимальная частота диммирования - 5 кГц;
максимальная рабочая частота преобразователя - 1 МГц;
точность стабилизации тока через светодиоды - 1%;
напряжение питания - 5.5 - 36 Вольт (нормально работает и при 38!);
выходной ток рассчитывается по формуле: R = 0.2 / I LED

Более подробно читайте в спецификации (на инглише).

Светодиодный драйвер на QX5241 содержит мало деталей и собирается всегда по такой схеме:

Микросхема 5241 бывает только в корпусе SOT23-6, так что со паяльником для пайки кастрюль к ней лучше не подходить. После монтажа плату следует хорошенько промывать от флюса, любые непонятные загрязнения могут негативно сказываться на режиме работы микросхемы.

Разница между питающим напряжением и суммарным падением напряжения на диодах должно быть вольта 4 (или больше). Если меньше - то наблюдаются какие-то глюки в работе (нестабильность тока и свист дросселя). Так что берите с запасом. Причем, чем больше выходной ток, тем больше запас по напряжению. Хотя, возможно, мне просто попался неудачный экземпляр микросхемы.

Если входное напряжение меньше, чем общее падение на светодиодах, то генерация срывается. При этом выходной полевик полностью открывается и светодиоды светятся (естественно, не на полную мощность, так как напряжения маловато).

AL9910

Diodes Incorporated создала одну весьма интересную микросхему драйвера светодиодов: AL9910. Любопытна она тем, что ее рабочий диапазон напряжений позволяет подключать ее прямо к сети 220В (через простой диодный выпрямитель).

Вот ее основные характеристики:

входное напряжение - до 500В (до 277В для переменки);
встроенный стабилизатор напряжения для питания микросхемы, не требующий гасящего резистора;
возможность регулировки яркости путем изменения потенциала на управляющей ноге от 0.045 до 0.25В;
встроенная защита от перегрева (срабатывает при 150°С);
рабочая частота (25-300 кГц) задается внешним резистором;
для работы необходим внешний полевой транзистор;
выпускается в восьминогих корпусах SO-8 и SO-8EP.

Драйвер, собранный на микросхеме AL9910 не имеет гальванической развязки с сетью, поэтому должен использоваться только там, где невозможно прямое прикосновение к элементам схемы.

Имеется большое количество различных схемных решений, однако в нашем случае мы разберем несколько вариантов ШИМ регулятор яркости светодиода () на PIC-микроконтроллере.

PIC10F320/322 это безупречный вариант для конструирования различных регуляторов освещения. При этом мы обретаем достаточно конструктивно навороченный прибор с наименьшей стоимостью и незначительными затратами времени на построение. Рассмотрим несколько вариантов диммера.

Первый вариант. Базовый регулятор яркости светодиода в котором изменение яркости свечения светодиодов осуществляется путем вращения ручки переменного , при этом яркость изменяется от 0 до 100%

Яркость свечения светодиодов устанавливается потенциалом сниманием с переменного резистора R1. Это изменяемое напряжение идет на ввод RA0, функционирующий как аналоговый ввод и подсоединенный к входу AN2 АЦП микроконтроллера. Вывод ШИМ RA1 контролирует силовой ключ на транзисторе V1.

Силовой транзистор возможно выбрать произвольный с логическим уровнем управления, то есть это те транзисторы, которые при получении 1…2 вольта на затвор целиком открывают свой канал.

К примеру транзистором IRF7805 возможно управлять током до 13 ампер соблюдая необходимые требования, а при любых других условиях до 5 ампер гарантировано. Разъем CON1 необходим, лишь для внутрисхемного программирования микроконтроллера, для этой же цели необходимы и сопротивления R2 и R5, то есть если микроконтроллер запрограммирован, то все эти радиоэлементы возможно не ставить.

Сопротивление R4 и BAV70 служат для защиты от перенапряжения и неправильного включения источника питания. Емкости C1 и C2 керамические и служат для снижения импульсных помех, и для надежности функционирования стабилизатора LM75L05.

Второй вариант. Здесь управление яркостью светодиодов так же осуществляется переменным резистором, а включение и выключение выполняется кнопками.

Третий вариант. Как видно в схеме отсутствует переменный резистор. В данном варианте управление яркостью свечения светодиодов выполняется исключительно двумя кнопками. Регулировка ступенчатая, изменение яркости происходит с каждым последующим нажатием.

Четвертый вариант. По сути такой же, как и третий вариант, но при удержании нажатой кнопки происходит плавное изменение свечения светодиодов.

Микросхема NCP1014 представляет собой ШИМ-контроллер с фиксированной частотой преобразования и встроенным высоковольтным ключом. Дополнительные внутренние блоки, реализованные в составе микросхемы (см. рис. 1), позволяют ей обеспечить весь спектр функциональных требований, предъявляемых к современным источникам питания.

Рис. 1.

Контроллеры серии NCP101X были подробно рассмотрены в статье Константина Староверова в номере 3 журнала за 2010 год, поэтому, в статье мы ограничимся рассмотрением лишь ключевых особенностей микросхемы NCP1014 , а основное внимание уделим рассмотрению особенностей расчета и механизма работы ИП, представленного в эталонном дизайне.

Особенности контроллера NCP1014

Интегрированный выходной 700-вольтовый MOSFET-транзистор с малым сопротивлением открытого канала (11Ом);
обеспечение выходного тока драйвера до 450мА;
возможность работы на нескольких фиксированных частотах преобразования- 65 и 100кГц;
частота преобразования варьируется в пределах ±3…6% относительно ее предустановленного значения, что позволяет «размыть» мощность излучаемых помех в пределах определенного частотного диапазона и тем самым снизить уровень EMI;
встроенная высоковольтная система питания способна обеспечить работоспособность микросхемы без применения трансформатора с третьей вспомогательной обмоткой, что в значительной мере упрощает намотку трансформатора. Данная особенность обозначается производителем как DSS (Dynamic Self-Supply — автономное динамическое питание), однако его использование ограничивает выходную мощность ИП;
возможность работать с максимальной эффективностью при малых токах нагрузки благодаря режиму пропуска импульсов ШИМ, что позволяет добиться малой мощности холостого хода- не более 100мВт при питании микросхемы от третьей вспомогательной обмотки трансформатора;
переход в режим пропуска импульсов происходит при снижении тока потребления нагрузки до значения 0,25 от номинально заданного, что снимает проблему генерации акустических шумов даже при использовании недорогих импульсных трансформаторов;
реализована функция плавного запуска (1мс);
вывод обратной связи по напряжению напрямую подключается к выходу оптопары;
реализована система защиты от короткого замыкания с последующим возвратом в нормальный режим работы после его устранения. Функция позволяет отслеживать как непосредственно короткое замыкание в нагрузке, так и ситуацию с обрывом цепи обратной связи в случае повреждения развязывающей оптопары;
встроенный механизм защиты от перегрева.

Контроллер NCP1014 выпускается в корпусах трех типов — SOT-223, PDIP-7 и PDIP-7 GULLWING (см. рис. 2) с расположением выводов, показанном на рис. 3. Последний корпус является особой версией корпуса PDIP-7 со специальной формовкой выводов, что делает его пригодным для поверхностного монтажа.

Рис. 2.

Рис. 3.

Типовая схема применения контроллера NCP1014 в обратноходовом (Flyback ) преобразователе представлена на рисунке 4.

Рис. 4.

Метод расчета ИП на базе контроллера NCP1014

Рассмотрим метод пошагового расчета обратноходового преобразователя на базе NCP1014 на примере эталонной разработки ИП выходной мощностью до 5 Вт для питания системы из трех последовательно-включенных светодиодов . В качестве светодиодов рассмотрены одноваттные белые светодиоды с током нормировки 350 мА и падением напряжения 3,9 В.

Первым шагом является определение входных, выходных и мощностных характеристик разрабатываемого ИП:

диапазон входного напряжения — Vac(min) = 85В, Vac(max) = 265В;
выходные параметры- Vout= 3х3,9В ≈ 11,75В, Iout = 350мА;
выходная мощность- Pout= VoutхIout = 11,75 Вх0,35 А ≈ 4,1Вт
входная мощность- Pin = Pout/h, где h — оценочный КПД = 78%

Pin = 4,1 Вт/0,78 = 5,25 Вт

диапазон входного напряжения по постоянному току

Vdc(min) = Vdc(min) х 1,41 = 85 х 1,41 = 120 В (dc)

Vdc(max) = Vdc(max) х 1,41 = 265 х 1,41 = 375 В (dc)

средний входной ток — Iin(avg) = Pin / Vdc(min) ≈ 5,25/120 ≈ 44мА
пиковый входной ток- Ipeak= 5хIin(avg) ≈ 220мА.

Первым входным звеном является предохранитель и EMI-фильтр, и их выбор является вторым шагом при проектировании ИП. Предохранитель должен выбираться исходя из значения тока разрыва, и в представленной разработке выбран предохранитель с током разрыва 2 А. Мы не будем углубляться в процедуру расчета входного фильтра, а лишь отметим, что степень подавления синфазных и дифференциальных помех в значительной мере зависит от топологии печатной платы, а также близости расположения фильтра к разъему питания.

Третьим шагом является расчет параметров и выбор диодного моста. Ключевыми параметрами здесь являются:

допустимое обратное (блокирующее) напряжение диода- VR ≥ Vdc(max) = 375В;
прямой ток диода- IF ≥ 1,5хIin(avg) = 1,5х0,044 = 66мА;
допустимый ток перегрузки (surge current ), который может достигать пятикратного значения среднего тока:

IFSM ≥ 5 х IF = 5 х 0,066 = 330 мА.

Четвертым шагом является расчет параметров входного конденсатора, устанавливаемого на выход диодного моста. Размеры входного конденсатора определяются пиковым значением выпрямленного входного напряжения и заданным уровнем входных пульсаций. Больший входной конденсатор обеспечивает более низкие значения пульсаций, но увеличивает пусковой ток ИП. В общем случае емкость конденсатора определяется следующей формулой:

Cin = Pin/, где

fac — частота сети переменного тока (60 Гц для рассматриваемого дизайна);

DV — допустимый уровень пульсаций (20% от Vdc(min) в нашем случае).

Cin = 5,25/ = 17 мкФ.

В нашем случае мы выбираем алюминиевый электролитический конденсатор емкостью 33 мкФ.

Пятым и основным шагом является расчет моточного изделия — импульсного трансформатора. Расчет трансформатора является наиболее сложной, важной и «тонкой» частью всего расчета источника питания. Основными функциями трансформатора в обратноходовом преобразователе является накопление энергии при замкнутом управляющем ключе и протекании тока через его первичную обмотку, а затем — ее передача во вторичную обмотку при отключении питания первичной части схемы.

С учетом входных и выходных характеристик ИП, рассчитанных на первом шаге, а также требования по обеспечению работы ИП в режиме непрерывного тока трансформатора, максимальное значение коэффициента заполнения (duty cycle ) равно 48%. Все расчеты трансформатора мы будем проводить, основываясь на данном значении коэффициента заполнения. Обобщим расчетные и заданные значения ключевых параметров:

частота работы контроллера fop= 100 кГц
коэффициент заполнения dmax= 48%
минимальное входное напряжение Vin(min) = Vdc(min) — 20% = 96В
выходная мощность Pout= 4,1Вт
оценочное значение КПДh = 78%
пиковое значение входного тока Ipeak= 220мА

Теперь мы можем произвести расчет индуктивности первичной обмотки трансформатора:

Lpri = Vin(min) х dmax/(Ipeak х fop) = 2,09 мГн

Соотношение количества витков обмоток определяется уравнением:

Npri/Nsec = Vdc(min) х dmax/(Vout + V F х (1 — dmax)) ≈ 7

Нам осталось проверить способность трансформатора «прокачать» через себя требуемую выходную мощность. Сделать это можно с помощью следующего уравнения:

Pin(core) = Lpri х I 2 peak х fop/2 ≥ Pout

Pin(core) = 2,09 мГн х 0,22 2 х 100 кГц/2 = 5,05 Вт ≥ 4,1 Вт.

Из результатов следует, что наш трансформатор может прокачать требуемую мощность.

Можно заметить, что здесь мы привели далеко не полный расчет параметров трансформатора, а лишь определили его индуктивные характеристики и показали достаточную мощность выбранного решения. По расчету трансформаторов написано множество трудов, и читатель может найти интересующие его методики расчета, например в или . Освещение этих методик выходит за рамки данной статьи.

Электрическая схема ИП, соответствующая проведенным расчетам, представлена на рисунке 5.

Рис. 5.

Теперь пришла пора ознакомиться с особенностями приведенного решения, расчет которых не был приведен выше, но которые имеют большое значение для функционирования нашего ИП и понимания особенностей реализации защитных механизмов, реализуемых контроллером NCP1014.

Особенности работы схемы, реализующей ИП

Вторичная часть схемы состоит из двух основных блоков — блока передачи тока в нагрузку и блока питания цепи обратной связи.

При замкнутом управляющем ключе (прямой режим) работает схема питания цепи обратной связи, реализованная на диоде D6, токозадающем резисторе R3, конденсаторе C5 и стабилитроне D7, задающем совместно с диодом D8 требуемое напряжение питания (5,1 В) оптопары и шунт-регулятора IC3.

Во время обратного хода энергия, запасенная в трансформаторе, передается в нагрузку через диод D10. Одновременно осуществляется зарядка накопительного конденсатора C6, который сглаживает выходные пульсации и обеспечивает постоянное напряжение питания нагрузки. Ток нагрузки задается резистором R6 и контролируется шунт-регулятором IC3.

ИП имеет защиту от отключения нагрузки и короткого замыкания нагрузки. Защиту от КЗ осуществляет шунт-регулятор TLV431, основная роль которого — регулятор цепи ОС. Короткое замыкание возникает при условии короткого пробоя всех нагрузочных LED (в случае выхода из строя одного или двух LED их функции принимают на себя параллельные стабилитроны D11…D13). Значение резистора R6 подбирается так, чтобы при рабочем токе нагрузки (350 мА в нашем случае) падение напряжения на нем составляло менее 1,25 В. При возникновении КЗ ток через R6 резко возрастает, что приводит к открыванию шунта IC3 и включению оптопары IC2 и заставляет контроллер NCP1014 уменьшить выходное напряжение.

Механизм защиты от отключения нагрузки основан на включении стабилитрона D9 параллельно нагрузке. В условиях размыкания цепи нагрузки и, как следствие, повышения выходного напряжения ИП до 47 В происходит открытие стабилитрона D9. Это приводит к включению оптопары и заставляет контроллер снизить выходное напряжение.

Желаете познакомиться с NCP1014 лично? — Нет проблем!

Для тех, кто перед началом разработки собственного ИП на базе NCP1014 хочет убедиться в том, что это действительно простое, надежное и эффективное решение, компания ONSemiconductor выпускает несколько типов оценочных плат (см таблицу 1, рис. 6; доступны для заказа через компанию КОМПЭЛ).

Таблица 1. Обзор оценочных плат

Код заказа	Наименование	Краткое описание
NCP1014LEDGTGEVB	Драйвер светодиодов мощностью 8 Вт с коэффициентом мощности 0,8	Плата разработана с целью демонстрации возможности построения LED-драйвера с коэффициентом мощности > 0,7 (стандарт Energy Star) без применения дополнительной микросхемы PFC. Выходная мощность (8 Вт) делает представленное решение идеальным для питания структур подобных Cree XLAMP MC-E, содержащих четыре последовательных светодиода в одном корпусе.
NCP1014STBUCGEVB	Неинвертирующий понижающий преобразователь	Плата является доказательством утверждения, что контроллера NCP1014 достаточно для построения ИП низкого ценового диапазона для жестких условий работы.

Рис. 6.

Кроме того, существует еще несколько примеров готового дизайна различных ИП, помимо рассмотренного в статье. Это и 5 Вт AC/DC-адаптер для сотовых телефонов , и еще один вариант ИП для LED , а также большое количество статей по применению контроллера NCP1014, которые вы можете найти на официальном сайте компании ONSemiconductor — http://www.onsemi.com/ .

Компания КОМПЭЛ является официальным дистрибьютором ONSemiconductor и поэтому на нашем сайте вы всегда можете найти информацию о доступности и стоимости микросхем, выпускаемых ONS, а также заказать опытные образцы, в том числе и NCP1014.

Заключение

Использование контроллера NCP1014, выпускаемого компанией ONS, позволяет разрабатывать высокоэффективные AC/DC-преобразователи для питания нагрузки стабилизированным током. Грамотное использование ключевых возможностей контроллера позволяет обеспечить безопасность работы конечного ИП в условиях размыкания или короткого замыкания нагрузки при минимальном числе дополнительных электронных компонентов.

Литература

1. Константин Староверов «Применение контроллеров NCP101X/102X при разработке сетевых источников питания средней мощности», журнал «Новости электроники», №3 , 2010, сс. 7-10.

4. Мэк Раймонд. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению/Пер. с англ. Пряничникова С.В., М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2008, — 272 с.: ил.

5. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов, Л.: Энергоатомиздат, 1991, — 208 с.: ил.

6. TND329-D. «5W Cellular Phone CCCV AC-DC Adepter»/ http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND329-D.PDF .

7. TND371-D. «Offline LED Driver Intended for ENERGY STAR»/ http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND371-D.PDF .

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

NCP4589 — LDO-регулятор
с автоматическим энергосбережением

NCP4589 — новый КМОП LDO-регулятор на 300 мА от ON Semiconductor . NCP4589 переключается в режим низкого потребления при малой токовой нагрузке и автоматически переключается обратно в «быстрый» режим, как только нагрузка на выходе превышает 3 мА.

NCP4589 может быть переведен в режим постоянной быстрой работы посредством принудительного выбора режима (управлением по специальному входу).

Основные характеристики NCP4589:

Рабочий диапазон входных напряжений: 1,4…5,25В
Выходной диапазон напряжений: 0,8…4,0В (с шагом 0,1В)
Входной ток в трех режимах:

Режим низкого потребления — 1,0 мкА при V OUT < 1,85 В

Быстрый режим — 55 мкА

Режим энергосбережения — 0,1 мкА

Минимальное падение напряжения: 230мВ при I OUT = 300мА, V OUT = 2,8В
Высокий коэффициент подавления пульсаций по напряжению: 70дБ при 1кГц (в быстром режиме).

NCP4620 — LDO-регулятор с широким диапазоном входных напряжений

NCP4620 — это КМОП LDO-регулятор на ток 150 мА от ON Semiconductor с диапазоном входных напряжений от 2,6 до 10 В. Устройство имеет высокую точность на выходе — порядка 1% — с низким температурным коэффициентом ±80 ppm/°C.

NCP4620 имеет защиту от перегрева и вход отключения (Enable), представлен в модификациях со стандартным выходом и выходом с автоматическим разрядом (Auto Discharge).

Основные характеристики NCP4620:

Диапазон рабочего входного напряжения от 2,6 до 10В (макс. 12В)
Диапазон выходных фиксированных напряжений от 1,2 до 6,0В (сшагом 100мВ)
Прямое минимальное падение напряжения- 165мВ (при 100мА)
Подавление пульсаций питания- 70дБ
Отключение питания микросхемы при перегреве до 165°C