Простой драйвер постоянного тока на LM317 и PT4115 для подключения мощных светодиодов

Чтобы правильно подключить светодиоды и обеспечить им долгую и продуктивную работу требуется источник стабильного тока или, как его называют, драйвер для светодиодов. Как выбрать готовый или собрать самому простой драйвер для подключения светодиодов – в этой статье.

Основной параметр при подключении светодиодов – это не напряжение, а именно величина тока, протекающего через него. Известно не мало случаев, когда после включения светодиодов, особенно “китайских”, ток через них медленно продолжает увеличиваться (по мере нагрева) и через некоторое время может достигать значений, серьезно превышающих номинальные. Все это приводит к перегреву кристалла, скорой деградации, морганию в предсмертной конвульсии и неминуемого выхода из строя.

Для обеспечения одинакового тока, светодиоды к стабилизатору тока подключаются последовательными группами.

Линейный драйвер на LM317

Описание и Характеристики

По-сути, LM317 представляет собой стабилизатор напряжения, который можно включить и как стабилизатор тока. Схема драйвера на этой микросхеме проста, как угол дома: вам потребуется сама микросхема и... один опорный резистор – и все! Все детали можно спаять навесным монтажом, прикрутив микросхему прямо к радиатору. Благодаря простоте и доступности при стоимости микросхемы около 0,2 у.е., эта микросхема многие годы пользуется огромной популярностью среди радиолюбителей. Один из аналогов микросхемы – популярная отечественная «КРЕН-ка» КР142ЕН12.

В зависимости от исполнения LM317 может иметь добавочный индекс, характеризующий корпус микросхемы. Наиболее распространенный варинат – LM317T в корпусе TO-220 под винт для крепления непосредственно к радиатору охлаждения. LM317D2T в корпусе D2PAK рассчитана для монтажа на плате при небольшой мощности нагрузки.

LM317T в корпусе TO-220 LM317 в различных корпусах
Микросхема линейного стабилизатора LM317 / LM317T

Принцип регулирования напряжения/тока линейного стабилизатора состоит в том, что стабилизатор изменяет сопротивление p-n перехода выходного мощного транзистора (по сути, последовательного резистора в цепи) и тем самым адаптивно отсекает “лишнее” напряжение или гасит на себе “лишний” ток. Благодаря этому к питающему напряжению не домешиваются какие-либо высокочастотные помехи, поскольку их нет в принципе. Однако, у линейных стабилизаторов есть и серьезный недостаток. Как известно, при прохождении тока через любой резистор, на нем рассеивается мощность в виде тепла. Поэтому у линейного стабилизатора на LM317 склонность к сильному нагреву и, как следствие, достаточно низкий КПД.

Параметры LM317
Макс. выходной ток, А1,5
Напряжение питания, В4,2 … 40
Напряжение на выходе, В1,2 … 37
Температура, °C0…125

Схемы и примеры включения

Схема включения LM317 для стабилизатора тока Источник постоянного тока на LM317 для подключения светодиода
Схемы и примеры включения стабилизатора тока на LM317

Схема подключения LM317 для стабилизатора тока предельна проста – просто подключить опорный резистор заданного номинала между ножками выхода и регуляторным входом. Значения сопротивления и мощности опорного резистора можно расчитать по упрощеной формуле:

R = 1,25 / IoutP = 1,25 ⋅ Iout

Полученные значения округляем до ближайшего значения номиналов сопротивления и до ближайшего бо́льшего значения мощности, например для подключения полуваттных SMD 5730 получаем резистор на 8,2 Ом, мощностью 0,25 Вт, а для светодиодов на 1 Вт (300 мА), соответственно – 4,3 Ом и 0,5 Вт. Может оказаться, что резисторов требуемого номинала нет в наличии, тогда можно скомбинировать составной резистор из нескольких одинаковых, соединив из параллельно. В таком случае суммарное сопротивление такого составного резистора будет равно сопротивлению каждого резистора поделенного на их кол-во, а мощность будет равно мощности каждого резистора помноженного на их кол-во. Для простоты расчетов в Сети есть достаточно много он-лайн калькуляторов, например, такой.

Для работы стабилизатора тока на LM317 происходит падение напряжения не менее 3 В – это надо учитывать при подборе входного напряжения и количества последовательно соединенных светодиодов. Например, рабочее напряжение для SMD 5730 – 3,3…3,4 В. Следовательно, если подключать по 3 светодиода в группе, то входное напряжение должно быть от 13 В (рабочее напряжение исправной бортовой сети автомобиля – 14 В).

При всей свое простоте линейный стабилизатор тока на LM317 отличается низким КПД и потребностью в дополнительным охлаждением.

Импульсный драйвер на PT4115

Описание и Характеристики

Стабилизатор тока на базе PT4115 относится к “ключевым” или импульсным устройствам, т.е. регулировка величины тока через подключенную нагрузку осуществляется не за счет ограничения тока на полупроводниках, как это делается в линейных стабилизаторах LM317, а благодаря высокочастотному открытию/закрытию выходного ключа.

В импульносном стабилизаторе PT4115 постоянный ток преобразуется в импульсный с высокой частотой, а затем снова сглаживается до постоянного. Вот как раз, в момент формирования импульсов, и происходит регулировка величины тока за счет уменьшения или увеличения длительности самого импульса или пауз между ними (скважности). Поскольку импульсный регулятор ничего не ограничивает, а просто замыкает/размыкает цепь, то падения мощности не происходит, а значит импульсный регулятор мало греется и имеет высокий КПД (до 97%!). Поэтому, импульсный драйвер может иметь очень маленькие размеры и не требует громоздкого охлаждения.

Для работы стабилизатора тока на PT4115 требуется минимум деталей. Кроме того, PT4115 может работать как диммер: для этого подается на специальный вход постоянное напряжение в диапазоне 0,3…2,5 В или сигнал ШИМ.

Основные параметры PT4115
Макс. выходной ток, А1,2
Напряжение питания, В6 … 30
Напряжение на выходе, В1,2 … 37
Температура, °C-40 … +80

Схемы и примеры включения

Схема стабилизатора тока на PT4115 Упрощенная схема стабилизатора тока на PT4115
Схемы и примеры включения стабилизатора тока на PT4115

Схема источника стабильного тока с использованием PT4115 стандартна и использует минимум обвязки. Кроме самой микросхемы потребуется сглаживающий конденсатор, задающий низкоомный резистор (скорее всего составной), диод Шоттки да катушка индуктивности (дроссель). При подключении к источнику переменного напряжения потребуется еще диодный мост. Все детали достаточно миниатюрны и позволяю собрать плату размером с пять копеек.

Для нормальной работы стабилизатора наличие конденсатора (лучше танталовый) в цепи питания обязательно, иначе при включении микросхема неминуемо выйдет из строя. Конденсатор не просто сглаживает пульсации питания, его основная задача – компенсация тока самоиндукции, возникающего в дросселе при закрытии ключа. Без конденсатора ток самоиндукции через диод Шоттки вызовет пробой микросхемы.

Параметры опорного резистора рассчитываем по упрощенной формуле:

R = 0,1 / Iout

Для одноваттных светодиодов (300мА) получаем резистор на 0,33 Ом. Для получения такого резистора можно “бутербродом” спаять параллельно 3 SMD резистора на 1 Ом.

Идуктивность дросселя определяется в зависимочсти от тока нагрузки по таблице:

Ток нагрузкиИндуктивность, мкГн
Iout > 1A27 … 47
0.8A < Iout ≤ 1A33 … 82
0.4A < Iout ≤ 0.8A47 … 100
Iout ≥ 0.4A68 … 220

При питании схемы от источника постоянного напряжения достаточно одного входного конденсатора ёмкостью не менее 4,7 мкФ. При подключении к переменному напряжению через выпрямительный диодный мост необходим танталовый конденсатор емкостью не менее 100мкФ. Конденсатор и катушку индуктивности необходимо подключать как можно ближе к микросхеме.