Circuitos de driver de LED de alta potência: 12 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

LEDs de alta potência: o futuro da iluminação!

mas … como você os usa? onde você os consegue? LEDs de energia de 1 watt e 3 watts estão agora amplamente disponíveis na faixa de US $ 3 a US $ 5, então tenho trabalhado em vários projetos recentemente que os usam. no processo, estava me incomodando que as únicas opções sobre as quais alguém fala para acionar os LEDs sejam: (1) um resistor ou (2) um dispositivo eletrônico realmente caro. agora que os LEDs custam $ 3, parece errado pagar $ 20 pelo dispositivo para acioná-los! Então, voltei ao meu livro "Circuitos analógicos 101" e descobri alguns circuitos simples para acionar os LEDs de energia que custam apenas $ 1 ou $ 2. Este instrutível vai lhe dar um passo a passo de todos os diferentes tipos de circuitos para alimentar Big LED's, tudo desde resistores até fontes de chaveamento, com algumas dicas sobre todos eles, e claro, dará muitos detalhes sobre meu novo e simples Power Circuitos de driver de LED e quando / como usá-los (e eu tenho 3 outros instructables até agora que usam esses circuitos). Algumas dessas informações acabam sendo muito úteis para pequenos LEDs também, aqui estão meus outros instructables de LED de energia, verifique-os para outras notas e ideias. Este artigo foi trazido a você por MonkeyLectric e o farol de bicicleta Monkey Light.

Etapa 1: Visão geral / peças

Existem vários métodos comuns para alimentar LEDs. Por que tanto barulho? Resumindo: 1) Os LEDs são muito sensíveis à voltagem usada para alimentá-los (ou seja, a corrente muda muito com uma pequena mudança na voltagem) 2) A voltagem necessária muda um pouco quando o LED é colocado em quente ou ar frio e também dependendo da cor do LED e dos detalhes de fabricação. Portanto, há várias maneiras comuns de os LEDs serem alimentados, e examinarei cada uma delas nas etapas a seguir.

PartsEste projeto mostra vários circuitos para acionar LEDs de energia. para cada um dos circuitos que anotei na etapa relevante, as peças que são necessárias, incluindo os números das peças, que você pode encontrar em www.digikey.com. a fim de evitar muito conteúdo duplicado, este projeto discute apenas circuitos específicos e seus prós e contras. para aprender mais sobre as técnicas de montagem e descobrir os números de peça do LED e onde você pode obtê-los (e outros tópicos), consulte um dos meus outros projetos de LED de energia.

Etapa 2: Dados de desempenho do LED de energia - Gráfico de referência prático

Abaixo estão alguns parâmetros básicos dos LEDs Luxeon que você usará em muitos circuitos. Eu uso as figuras desta tabela em vários projetos, então aqui estou colocando todos eles em um lugar que eu possa consultar facilmente. Luxeon 1 e 3 sem corrente (ponto de desligamento): branco / azul / verde / ciano: queda de 2,4 V (= "tensão direta do LED") vermelho / laranja / âmbar: queda de 1,8 VLuxeon-1 com corrente de 300 mA: branco / azul / verde / ciano: queda de 3,3 V (= "tensão direta do LED") vermelho / laranja / âmbar: 2.7V dropLuxeon-1 com 800mA atual (acima das especificações): todas as cores: 3.8V dropLuxeon-3 com 300mA atual: branco / azul / verde / ciano: 3.3V dropred / laranja / âmbar: 2.5V dropLuxeon-3 com Corrente de 800mA: branco / azul / verde / ciano: queda de 3,8 V / laranja / âmbar: queda de 3,0 V (nota: meus testes discordam da folha de especificações) Luxeon-3 com corrente de 1200mA: vermelho / laranja / âmbar: queda de 3,3 V (nota: meus testes discordam da planilha de especificações) Os valores típicos para LEDs "pequenos" regulares com 20mA são: vermelho / laranja / amarelo: gota verde de 2,0 V / ciano / azul / roxo / branco: queda de 3,5 V

Etapa 3: alimentação direta

Por que não conectar sua bateria diretamente ao LED? Parece tão simples! Qual é o problema? Posso fazer isso? O problema é confiabilidade, consistência e robustez. Como mencionado, a corrente através de um LED é muito sensível a pequenas mudanças na voltagem do LED e também à temperatura ambiente do LED e também às variações de fabricação do LED. Então, quando você apenas conecta seu LED a uma bateria, você tem pouca idéia de quanta corrente está passando por ele. "mas e daí, iluminou-se, não acendeu?". OK, claro. dependendo da bateria, você pode ter corrente demais (o led fica muito quente e queima rapidamente), ou muito pouca (o led está fraco). o outro problema é que mesmo que o led esteja certo quando você o conecta pela primeira vez, se você o levar para um novo ambiente que é mais quente ou mais frio, ele ficará escuro ou muito brilhante e queimará, porque o led está muito quente confidencial. variações de fabricação também podem causar variabilidade. Então, talvez você leia tudo isso e esteja pensando: "e daí!". em caso afirmativo, vá em frente e conecte direto à bateria. para algumas aplicações, pode ser o caminho a percorrer.- Resumo: use isso apenas para hacks, não espere que seja confiável ou consistente e espere queimar alguns LEDs ao longo do caminho.- Um famoso hack que coloca este método O LED Throwie tem um uso excepcionalmente bom. Observações: - se você estiver usando uma bateria, este método funcionará melhor com baterias * pequenas *, porque uma bateria pequena age como se tivesse um resistor interno. esta é uma das razões pelas quais o LED Throwie funciona tão bem.- se você realmente quiser fazer isso com um LED de energia em vez de um LED de 3 centavos, escolha a tensão da bateria para que o LED não fique com energia total. esta é a outra razão pela qual o LED Throwie funciona tão bem.

Etapa 4: o resistor humilde

Este é de longe o método mais usado para alimentar LEDs. Basta conectar um resistor em série com seu (s) LED (s).pros: - este é o método mais simples que funciona de forma confiável - tem apenas uma parte - centavos de custo (na verdade, menos de um centavo em quantidade) contras: - não muito eficiente. você deve trocar a energia desperdiçada por um brilho de LED consistente e confiável. se você desperdiçar menos energia no resistor, você obtém um desempenho do LED menos consistente. - deve alterar o resistor para alterar o brilho do LED - se você alterar a fonte de alimentação ou a tensão da bateria significativamente, será necessário alterar o resistor novamente.

Como fazer: existem várias páginas da web excelentes que já explicam esse método. Normalmente, você deseja descobrir: - qual valor de resistor usar - como conectar seus LEDs em série ou em paralelo. Há duas boas "calculadoras de LED" que eu descobri que permitem que você apenas insira as especificações de seus LEDs e fonte de alimentação, e eles farão projetar a série completa / circuito paralelo e resistores para você! https://led.linear1.org/led.wizhttps://metku.net/index.html? sect = view & n = 1 & path = mods / ledcalc / index_engAo usar estes web calculadoras, use o Power LED Data Handy Reference Chart para os números de corrente e tensão que a calculadora pede. se você estiver usando o método do resistor com LEDs de energia, você vai querer rapidamente obter muitos resistores de energia baratos! aqui estão alguns baratos da digikey: "Yageo SQP500JB" são uma série de resistores de 5 watts.

Etapa 5: Reguladores $ witching

Reguladores de comutação, também conhecidos como conversores "DC para DC", "fanfarrão" ou "boost", são a maneira sofisticada de alimentar um LED. eles fazem tudo, mas são caros. o que é que eles "fazem" exatamente? o regulador de comutação pode diminuir ("buck") ou aumentar ("aumentar") a tensão de entrada da fonte de alimentação para a tensão exata necessária para alimentar os LEDs. ao contrário de um resistor, ele monitora constantemente a corrente do LED e se adapta para mantê-la constante. Ele faz tudo isso com 80-95% de eficiência de energia, não importa o quanto o redutor ou redutor seja. Pros: - desempenho consistente do LED para uma ampla gama de LEDs e fontes de alimentação - alta eficiência, geralmente 80-90% para conversores boost e 90-95% para conversores buck - pode alimentar LEDs de fontes de tensão mais baixa ou mais alta (aumento ou redução) - algumas unidades podem ajustar o brilho do LED - unidades empacotadas projetadas para LEDs de energia estão disponíveis e fáceis para usarCons: - complexo e caro: normalmente cerca de US $ 20 para uma unidade embalada. - fazer o seu próprio requer várias peças e habilidades de engenharia elétrica.

Um dispositivo de prateleira projetado especialmente para LEDs de energia é o Buckpuck da LED Dynamics. Eu usei um desses em meu projeto de farol elétrico e fiquei muito feliz com ele. esses dispositivos estão disponíveis na maioria das lojas da web de LED.

Etapa 6: As Novas Coisas !! Fonte de corrente constante # 1

vamos às coisas novas! O primeiro conjunto de circuitos são todas pequenas variações em uma fonte de corrente constante super-simples. Pros: - desempenho de LED consistente com qualquer fonte de alimentação e LEDs- custa cerca de US $ 1- apenas 4 peças simples para conectar- a eficiência pode ser superior a 90% (com LED e seleção de fonte de alimentação adequados) - pode lidar com MUITA potência, 20 Amps ou mais sem problemas.- baixa "queda" - a tensão de entrada pode ser tão pouco quanto 0,6 volts maior do que a tensão de saída.- faixa de operação super-ampla: entre 3V e 60V de entradaCons: - deve alterar um resistor para alterar o brilho do LED- se mal configurado, pode desperdiçar tanta energia quanto o método do resistor- você tem que construí-lo você mesmo (oh espere, isso deve ser um "profissional").- o limite de corrente muda um pouco com a temperatura ambiente (também pode ser um "profissional"). Resumindo: este circuito funciona tão bem quanto o regulador de chaveamento abaixador, a única diferença é que não garante 90% de eficiência. do lado positivo, custa apenas $ 1.

A versão mais simples primeiro: "Fonte de corrente constante de baixo custo # 1" Este circuito é apresentado no meu projeto simples de luz led de energia. Como funciona? - Q2 (um NFET de energia) é usado como um resistor variável. Q2 começa ligado por R1.- Q1 (um pequeno NPN) é usado como uma chave de detecção de sobrecorrente, e R3 é o "resistor de detecção" ou "resistor de ajuste" que dispara Q1 quando muita corrente está fluindo. o fluxo de corrente principal é através dos LEDs, através de Q2 e R3. Quando muita corrente flui por R3, Q1 começará a ligar, que começa a desligar Q2. Desligar Q2 reduz a corrente através dos LEDs e R3. Por isso, criamos um "loop de feedback", que monitora continuamente a corrente do LED e a mantém sempre no ponto de ajuste. os transistores são espertos, hein! - R1 tem alta resistência, de modo que quando Q1 começa a ligar, facilmente supera R1.- O resultado é que Q2 atua como um resistor, e sua resistência está sempre perfeitamente ajustada para manter a corrente do LED correta. Qualquer excesso de energia é queimado no 2º trimestre. Assim, para a máxima eficiência, queremos configurar nossa string de LED de forma que fique próxima da tensão da fonte de alimentação. Vai funcionar bem se não fizermos isso, vamos apenas desperdiçar energia. esta é realmente a única desvantagem deste circuito em comparação com um regulador de comutação abaixador! definir a corrente! o valor de R3 determina a corrente definida. Cálculos: - A corrente do LED é aproximadamente igual a: 0,5 / R3- Potência de R3: a potência dissipado pelo resistor é aproximadamente: 0,25 / R3. escolha um valor de resistor de pelo menos 2x a potência calculada para que o resistor não fique muito quente. Assim, para a corrente do LED 700mA: R3 = 0,5 / 0,7 = 0,71 ohms. o resistor padrão mais próximo é 0,75 ohms. Potência R3 = 0,25 / 0,71 = 0,35 watts. precisaremos de pelo menos um resistor nominal de 1/2 watt. Peças usadas: R1: resistor pequeno (1/4 watt) de aproximadamente 100k-ohm (como: série Yageo CFR-25JB) R3: conjunto de corrente grande (1 watt +) resistor. (uma boa escolha de 2 watts é: Panasonic série ERX-2SJR) Q2: grande (pacote TO-220) FET de nível lógico de canal N (como: Fairchild FQP50N06L) Q1: pequeno (pacote TO-92) transistor NPN (tais como: Fairchild 2N5088BU) Limites máximos: o único limite real para o circuito da fonte de corrente é imposto pelo NFET Q2. Q2 limita o circuito de duas maneiras: 1) dissipação de energia. Q2 atua como um resistor variável, diminuindo a tensão da fonte de alimentação para corresponder à necessidade dos LEDs. então, Q2 precisará de um dissipador de calor se houver uma alta corrente de LED ou se a tensão da fonte de alimentação for muito maior do que a tensão da string de LED. (Alimentação Q2 = voltagem diminuída * corrente do LED). Q2 só pode lidar com 2/3 watt antes de você precisar de algum tipo de dissipador de calor. com um grande dissipador de calor, este circuito pode lidar com MUITA potência e corrente - provavelmente 50 watts e 20 amperes com esse transistor exato, mas você pode simplesmente colocar vários transistores em paralelo para obter mais potência.2) voltagem. o pino "G" em Q2 é classificado apenas para 20 V, e com este circuito mais simples que limitará a tensão de entrada a 20 V (digamos 18 V para ser seguro). se você usar um NFET diferente, certifique-se de verificar a classificação "Vgs". Sensibilidade térmica: o ponto de ajuste atual é um tanto sensível à temperatura. isso ocorre porque Q1 é o gatilho e Q1 é termicamente sensível. a parte nuber i especificada acima é um dos NPNs menos sensíveis termicamente que consegui encontrar. mesmo assim, espere talvez uma redução de 30% no ponto de ajuste atual ao passar de -20 ° C para + 100 ° C. esse pode ser um efeito desejado, ele pode evitar o superaquecimento do seu Q2 ou LED.

Etapa 7: Ajustes de fonte de corrente constante: # 2 e # 3

essas pequenas modificações no circuito nº 1 tratam da limitação de tensão do primeiro circuito. precisamos manter a porta NFET (pino G) abaixo de 20V se quisermos usar uma fonte de alimentação maior que 20V. Acontece que também queremos fazer isso para que possamos fazer a interface desse circuito com um microcontrolador ou computador.

no circuito # 2, eu adicionei R2, enquanto no # 3 eu substituí R2 por Z1, um diodo zener. o circuito # 3 é o melhor, mas incluí o # 2, pois é um hack rápido se você não tiver o valor correto do diodo zener. queremos definir a tensão do pino G para cerca de 5 volts - use um diodo zener de 4,7 ou 5,1 volts (como: 1N4732A ou 1N4733A) - qualquer mais baixo e Q2 não será capaz de ligar totalmente, mais alto e não funcionará com a maioria dos microcontroladores. se a tensão de entrada estiver abaixo de 10 V, troque R1 por um resistor de 22 k ohm, o diodo zener não funciona a menos que haja 10 uA passando por ele. após essa modificação, o circuito vai lidar com 60 V com as peças listadas e você pode encontrar facilmente um Q2 de alta tensão, se necessário.

Etapa 8: Um pequeno micro faz toda a diferença

O que agora? conecte-se a um microcontrolador, PWM ou um computador! Agora você tem uma luz LED de alta potência totalmente digital controlada. os pinos de saída do microcontrolador são classificados para apenas 5,5 V normalmente, é por isso que o diodo zener é importante. seu microcontrolador é de 3,3 V ou menos, você precisa usar o circuito nº 4 e definir o pino de saída do microcontrolador como "coletor aberto" - o que permite que o micro puxe o pino, mas permite que o resistor R1 o puxe até 5 V, que é necessário para ligar totalmente Q2.se seu micro for 5 V, então você pode usar o circuito mais simples # 5, eliminando Z1, e definir o pino de saída do micro para o modo pull-up / pull-down normal - o micro 5V pode ligar Q2 facilmente. Agora que você tem um PWM ou micro conectado, como você faz um controle de luz digital? para alterar o brilho da sua luz, você "PWM": você pisca e apaga rapidamente (200 Hz é uma boa velocidade), e muda a proporção do tempo ligado para o tempo desligado. Isso pode ser feito com apenas um algumas linhas de código em um microcontrolador. para fazer isso usando apenas um chip '555', experimente este circuito. para usar esse circuito livre-se de M1, D3 e R2, e seu Q1 é nosso Q2.

Etapa 9: Outro método de escurecimento

ok, talvez você não queira usar um microcontrolador? aqui está outra modificação simples no "circuito # 1"

a maneira mais simples de diminuir o brilho dos LEDs é alterar o ponto de ajuste atual. então vamos mudar R3! mostrado abaixo, adicionei R4 e um switch a em paralelo com R3. então com a chave aberta, a corrente é definida por R3, com a chave fechada, a corrente é definida pelo novo valor de R3 em paralelo com R4 - mais corrente. agora temos "alta potência" e "baixa potência" - perfeitas para uma lanterna. talvez você gostaria de colocar um dial de resistor variável para R3? infelizmente, eles não os fazem com um valor de resistência tão baixo, então precisamos de algo um pouco mais complicado para fazer isso. (consulte o circuito nº 1 para saber como escolher os valores dos componentes)

Etapa 10: O Driver Ajustável Analógico

Este circuito permite que você tenha um brilho ajustável, mas sem usar um microcontrolador. É totalmente analógico! custa um pouco mais - cerca de US $ 2 ou US $ 2,50 no total - espero que você não se importe. A principal diferença é que o NFET é substituído por um regulador de tensão. o regulador de voltagem reduz a voltagem de entrada muito parecido com o NFET, mas é projetado para que sua voltagem de saída seja definida pela razão entre dois resistores (R2 + R4 e R1). O circuito de limite de corrente funciona da mesma maneira como antes, neste caso, ele reduz a resistência em R2, diminuindo a saída do regulador de tensão. Este circuito permite que você defina a tensão nos LEDs para qualquer valor usando um dial ou controle deslizante, mas também limita a corrente do LED como antes. você não pode girar o dial além do ponto seguro. Eu usei este circuito no meu projeto de iluminação RGB Color Controlled Room / Spot. por favor, veja o projeto acima para números de peça e seleção de valor de resistor. este circuito pode operar com uma tensão de entrada de 5V a 28 V, e até 5 amperes de corrente (com um dissipador de calor no regulador)

Etapa 11: uma fonte de corrente * ainda mais simples *

ok, então parece que há uma maneira ainda mais simples de fazer uma fonte de corrente constante. o motivo pelo qual não o coloquei primeiro é que ele também tem pelo menos uma desvantagem significativa.

Este não usa um transistor NFET ou NPN, ele só tem um único regulador de tensão. Comparado com a "fonte de corrente simples" anterior usando dois transistores, este circuito tem: - ainda menos peças. - "dropout" muito maior de 2,4 V, o que reduzirá significativamente a eficiência ao alimentar apenas 1 LED. se você está alimentando uma série de 5 LEDs, talvez não seja um grande negócio. - nenhuma mudança no ponto de ajuste atual quando a temperatura muda - menos capacidade de corrente (5 amperes - ainda o suficiente para muitos LEDs)

como usar: resistor R3 define a corrente. a fórmula é: corrente do LED em amperes = 1,25 / R3 então para uma corrente de 550mA, defina R3 para 2,2 ohms, você precisará de um resistor de potência normalmente, potência R3 em watts = 1,56 / R3 este circuito também tem a desvantagem de que o único A maneira de usá-lo com um microcontrolador ou PWM é ligar e desligar tudo com um FET de energia. e a única maneira de alterar o brilho do LED é alterar R3, portanto, consulte o esquema anterior para "circuito # 5" que mostra a adição de uma chave de potência baixa / alta. pinagem do regulador: ADJ = pino 1 OUT = pino 2 IN = pino 3 partes: regulador: capacitor LD1585CV ou LM1084IT-ADJ: capacitor de 10u a 100u, 6,3 volts ou maior (como: Panasonic ECA-1VHG470) resistor: um resistor de 2 watts mínimo (como: Panasonic série ERX-2J) você pode construir isso com praticamente qualquer regulador de tensão linear, os dois listados têm um bom desempenho geral e preço. o clássico "LM317" é barato, mas o dropout é ainda maior - 3,5 volts no total neste modo. agora existem muitos reguladores de montagem em superfície com dropouts ultrabaixa para uso de baixa corrente, se você precisar alimentar 1 LED de uma bateria, vale a pena dar uma olhada.

Etapa 12: Haha! Existe uma maneira ainda mais fácil

Tenho vergonha de dizer que não pensei nesse método sozinho, fiquei sabendo dele quando desmontei uma lanterna que tinha um LED de alto brilho dentro dela.

-------------- Coloque um resistor PTC (também conhecido como "fusível reconfigurável PTC") em série com seu LED. Uau.não fica mais fácil do que isso. -------------- OK. Embora simples, este método tem algumas desvantagens: - A voltagem de acionamento pode ser apenas um pouco mais alta do que a voltagem "ligada" do LED. Isso ocorre porque os fusíveis PTC não são projetados para eliminar muito calor, então você precisa manter a queda de tensão no PTC bem baixa. você pode colar seu ptc em uma placa de metal para ajudar um pouco. - Você não conseguirá acionar seu LED em sua potência máxima. Os fusíveis PTC não têm uma corrente de "disparo" muito precisa. Normalmente, eles variam por um fator de 2 do ponto de desarme nominal. Portanto, se você tem um LED que precisa de 500mA e obtém um PTC classificado em 500mA, acabará com algo entre 500mA e 1000mA - não é seguro para o LED. A única escolha segura de PTC é um pouco subestimada. Obtenha o PTC 250mA, então seu pior caso é 500mA que o LED pode suportar. ----------------- Exemplo: Para um único LED classificado em torno de 3,4 V e 500 mA. Conecte em série com um PTC avaliado em cerca de 250 mA. A tensão de condução deve ser de cerca de 4,0V.