Линейный драйвер для светодиодов 30мА - 210мА

Кому лень читать. Альбом фоток здесь!

Задача стояла следующим образом: Организовать питание светодиодов в фарах автомобиля. Светодиоды на которые ориентируемся типа "Пиранья". Количество светодиодов которое будем использовать от 1 до 14 на одну фару. Готовое устройство должен использовать человек с минимальными познаниями в электронике. Задача поставлена. Задача решена...

Питание нужно было организовать качественно, дешево и сердито. И попалась мне в руки китайская фара с элементами светодиодной подсветки. В этой фаре питание светодиодов было организовано с помощью микросхемы стабилизатора LM317. Микросхема включена в режиме стабилизатора тока. Вот я и решил на основе этой микросхемы сделать линейный драйвер но с учетом моих требований.

Недостаток линейного драйвера в том что лишняя мощность рассеивается в окружающую среду  в виде тепла. Лишняя мощность это часть напряжения которая остается после падения напряжение питания на светодиодах при номинальном токе. Номинальный ток для светодиодов типа "пиранья" порядка 30мА (0,03А), напряжение падения на каждом светодиоде порядка 3-3,5В. Если включить один светодиод через схему стабилизации то на входе схемы будет 12В от бортовой сети автомобиля, а на выходе должно будет быть 3,5В для питания светодиода. 12В-3,5В=8,5В которые и будут падать на схеме стабилизации. Ток через светодиод и практически через всю схему 0,03А, а зная это можем вычислить мощность которая будет рассеиваться на микросхеме (или на всей схеме) Рстаб=U*I=8,5*0,03=0.25Вт. А если учесть что на светодиоде мощность будет Рсветодиода=3,5*0,03=0,1Вт. Получается чтобы запитать один светодиод мощностью 0,1Вт необходимо затратить суммарную мощность 0,35Вт. КПД менее 30%. Не экономично.

Для уменьшения рассеиваемой мощности можем использовать более одного светодиода включенных последовательно. Например если взять 2 светодиода включенных последовательно то падение напряжения на них будет 2*3,5В=7В, а на микросхеме 5В, ток в последовательной цепи одинаковый на всех элементах и равен 0,03А. Рсветодиодов=U*I=7*0,03=0,21Вт. А мощность которая рассеивается на стабилизаторе в виде тепла Рстаб=U*I=5*0,03=0,15Вт. В таком случае для питания светодиодов мощностью 0,21Вт необходима сумарная мощность 0,36Вт. В этом случае КПД уже более 50%. Что более экономично. Таким образом будем питать от драйвера последовательные цепи светодиодов в количестве 2х штук. Если пока не понятно объясню далее по схеме.

Не хотелось изучать кучу англоязычной документации на микросхему, потому загуглил на предмет уже готовых решений. Нашел очень интересную и полезную статью. оригинал статьи здесь. Тут тебе и применение микросхемы и даже как спаять для тех кто и паяльник в руках держать не умеет. А главное это включение LM317 в качестве стабилизатора тока. Всего 2 детали это микросхема и резистор, падение напряжения на котором пропорционально силе тока протекающего в цепи.

Выдержка из статьи. Схема включения. "Прибор" это амперметр.

Вернемся к задаче. Работать все это дело будет в автомобиле где номинальное напряжение сети 12В. Но во время эксплуатации более реальный диапазон напряжений это 10-15В. При изменении бортового напряжения ток через светодиоды и соответственно напряжение на них меняться не должно. Превышение напряжение микросхема успешно отсекает и рассеивает на себе, а вот уменьшение напряжения питания ниже некоторого уровня компенсировать не сможет. Отсюда некоторое ограничение на количество светодиодов в последовательной цепочке. Возьмем минимальное напряжение бортовой сети 10В. Обязательное падение напряжения на токосъемном резисторе 1,25В (это обусловлено внутренним стабилизатором напряжения микросхемы), и потому для питания светодиодов остается 10-1,25В=8,75В. Как я писал выше если включить 2 светодиода вместе то падать на них будет 7В, а остаток 1,75В будет рассеиваться на стабилизаторе. Можно было бы включить и 3 светодиода, но напряжение которое на них падает 11,5В, что больше того напряжения которое у нас получиться в случае бортового 10В, а это будет означать что яркость светодиодов существенно уменьшиться. Таким образом будем использовать цепочки по 2 светодиода, что даст нам максимальный КПД при линейном драйвере и постоянство тока через светодиоды а значит и постоянную яркость светодиодов при любом состоянии автомобиля: будь то быстрая езда со всеми выключенными потребителями (максимальное напряжение бортовой сети), будь то стоянка в пробке зимой вечером (когда включена и печка и фары и напряжение сети порядка 11В).

Как же нарастить количество светодиодов? легко и просто! к цепочке из 2х последовательных светодиодов включим параллельно цепочку из еще 2х. В суме получиться 4 светодиода, а ток который будет через них течь увеличиться в двое до 60мА. Если включим еще одну параллельную цепочку то светодиодов будет 6, а ток будет увеличим в трое от первоначального до 30мА*3=90мА и так далее. Изменяется ток в цепи с помощью резистора, который включается между первой и второй ножкой микросхемы LM317. Чем меньше резистор - тем больше ток. 

Наращивать можно до бесконечности но все же есть ограничение. А именно ток в 1,5А которая может дать эта микросхема в корпусе ТО220 и мощность которая будет рассеиваться на микросхеме. Мощность это произведение напряжения падения на элементе на ток который протекает через него. Если мы будем увеличивать ток через светодиоды то на микросхеме будет падать практически одно и то же напряжение. Допустим Что напряжение бортовой сети автомобиля 15В. Ток через светодиоды установили равным 210мА (для 14 светодиодов). Тогда напряжение на микросхеме Ulm=Uбортовой сети-Uтокосъемного резистора-Uсветодиодов=15-1,25-7=6,75В. Мощность которая будет рассеяна на микросхеме Plm=Ulm*I=6,75В*0,21=1,42Вт. Температура микросхемы без радиатора в таком случае больше 115 градусов Цельсия.

Добавим радиатор, и для нашей цели запитать до 14 светодиодов LM317 будет достаточно.

Из изложенного выше видно что удобно использовать светодиоды в количестве кратном 2. Потому Схему будем рассчитывать так чтобы можно было подключить 2,4,6,8,10,12,14 светодиодов током 30мА, 60мА, 90мА, 120мА, 150мА, 180мА, 210мА соответственно.

Собрав схему на макетном стенде, подключив максимальное количество светодиодов, вооружившись магазином сопротивлений начал подбирать необходимые значения для получения заданных выше токов. Результаты измерений в таблице:

  

Кол-во	Iвых, A	Rш єксп	T корп	Pш	Rряд	R
2	0,03	36	-	0,048	33+1	34
4	0,06	18	-	0,086	33/2+1	17,5
6	0,09	12	-	0,13	33/3+1	12
8	0,12	9	85	0,174	33/4+1	9,25
10	0,15	7,4	93	0,204	33/5+1	7,6
12	0,18	6,2	103	0,24	33/5	6,6
14	0,21	5,2	111	0,25	33/6	5,5

Кл-во - количество светодиодов которые будут запитаны;
Iвых, A - Выходной ток драйвера и соответственно питания светодиодов;
Rш єксп - Сопротивление шунта или токосъемного резистора получены экспериментально;
T корп - температура корпуса микросхемы без радиатора измеренная экспериментально;
Pш - Мощность которая будет выделяться на токосъемном резисторе ;
Rряд - сопротивления используемых резистором с сопротивлением из стандартного ряда,
Где: / - сопротивление резисторов включенных параллельно,
       + - сопротивление резистора подключенного последовательно;
R - Реальное сопротивление шунта которое получиться при наборе резисторов с номинальным сопротивлением.

После проведения измерений я заметил что при увеличении тока, сопротивление шунта уменьшается почти пропорционально. сопротивления 36 Ом в ряду нет, потому выбран был 33 ома. Далее параллельное включение резисторов дает уменьшение общего сопротивления и увеличение мощности, это необходимо так как мощность рассеиваемая на резисторе растет с ростом тока в цепи. Таким образом можно взять 6 резисторов по 33 ома и 1 резистор номиналом 1 Ом, 6 переключателей которыми можно подключать необходимое количество резисторов, то есть выставлять необходимый ток и мы получим универсальный драйвер светодиодов.

Мало того можно упростить схему и использовать всего 4 переключателя, как я и сделал. 1й переключатель подключат 1 резистор, 2й выключатель подключает 2 параллельных резистора, 3й переключатель подключает 3 параллельных резистора, а если надо 5 резисторов то включаем переключатель 2 и 3. А 4й переключатель отключает (тоесть замыкает) последовательный одноомный резистор.

Итоговая схема включения:

Далее все это дело было перенесено в программу DipTrace. Спроектирована плата.

Изготовленные платы

Процесс монтажа

 Изготовлено 24 устройства. Схема отлично показала себя на практике.

Итог. 

В результате проектирования и макетирования получен модуль питания светодиодов для автомобиля удовлетворяющий следующим характеристикам:

1. Напряжение питания: 10-15В;

2. Выходной ток: 30мА-210мА (Устанавливается комбинацией переключателей);

3. Количество светодиодов на один драйвер: 2-14 (кратно 2).