Драйверы для светодиодных лампочек. Светодиодный драйвер: принцип работы и правила подбора Нужен ли драйвер для светодиодной ленты

04.10.2023

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.

Я публиковал несколько обзоров светодиодов, пришло время написать чем их можно кормить.
В обзоре учавствуют три позиции деталей (ссылки и цены присутствуют), но все они нужны для одной цели, сделать драйвер для светодиода.

Сразу извиняюсь за заглавное фото, оно упорно пытается масштабироваться по своему, исправить я не смог, более правильное на странице продавца.

Все знают, что светодиоды питаются током, желательно стабилизированным, что бы не менялась яркость при изменении напряжения. Для этой цели служит драйвер, по сути стабилизатор тока.
Ограничивать ток можно простыми микросхемами типа LM317 и специально предназначенными для этого стабилизаторами тока (на муське есть обзор одной такой детали), но они выделяют обычно достаточно много тепла, так как имеют низкий КПД. А ведь преимущество светодиодов как раз в высоком КПД.
Более интересными являются импульсные стабилизаторы тока, они посложнее, но имеют гораздо больший КПД, особенно если напряжение питания сильно отличается от напряжения на светодиоде.
Да, многие скажут что такой драйвер проще купить в Китае и не заморачиваться, соглашусь.
Но ведь всегда приятнее сделать что то своими руками. Собственно я так и решил, заказывая компоненты для драйвера.
Возможно я изобретаю велосипед. Но в обзоре учавствуют компоненты, которые пригодятся для многих других задач, и возможно многим будет полезна информация о том, что на продают и что мы получаем на самом деле.

Начну собственно с микросхемы. Это довольно хорошо известная любителям светодиодов PT4115. описание -
Микросхема имеет вывод для управления яркостью. Вход, насколько я понял, может управляться и ШИМом или изменением напряжения. Вход довольно высокоомный, так как при прикосновении к этому выводу светодиод начинал мерцать с частотой 100Гц.

Стоимость лота из 10 штук - 2 доллара.
После заказа микросхемы продавец отписался что посылка будет без трека и спросил, устроит ли это меня, я решил что 2 доллара не те деньги что бы сильно беспокоиться и дал добро.
Через некоторое время в почтовом ящике я обнаружил конверт.

Внутри был пакетик с необходимыми мне микросхемами.

Проверил одну микросхему, подключив ее навесным монтажом, отписал продавцу что все в порядке, подтвердил получение и стал ждать остальные детали.

После этого пришли дроссели.
Стоимость лота из 20 штук 7.36 доллара.

Их уже принесли мне на дом (впрочем как и следующий заказ).
Они были упакованы в картонную коробочку, хотя мне такая мера кажется излишней.
К слову у нас такие дроссели стоят значительно дороже, да и покупал я их не только для этого.

Собственно дроссели, Индуктивность 68 мкГн, ток 1.6 или 1.8 Ампера (у продавца не указано, потому ориентировочно), размеры 12х12х7мм.

Замер индуктивности показал отклонение в пределах погрешности.

Аналогично первому случаю подтвердил заказ, оставил хороший отзыв.

Ну и в конце пришли диоды Шоттки. Так как вещь в хозяйстве нужная, то заказал я их сотню.
Хотел больше, но не стал рисковать.

Цена лота из 100 штук 5.26 доллара. У нас они тоже стоят дороже.

Диоды промаркированы как SS34, на самом деле они меньше, по габаритам и характеристикам полностью соответствуют диодам SS24.
Сделал замер падения напряжения на диоде при токе в 1 Ампер и меня он устроил.

На этом часть закупок на Алиэкспресс закончилась.
В принципе на этом можно было и обзор закончить, но купить детали и не опробовать их в деле было бы неправильно. Потому естественно было решено довести дело до какого то логического конца.

Когда был у нас на рынке, попутно купил smd резисторы 1206 сопротивлением 1 Ом для датчика тока.
Думал сначала купить сразу низкоомные резсторы как в даташите на микросхему, но они выходят значительно дороже и если захочется настроить на разные токи, то надо покупать несколько номиналов, в общем неудобно, а резисторы 1 Ом я и так иногда использую.
в итоге получилось, что 1 такой резистор примерно соответствует току 0.1 Ампера, два параллельно 0.2 Ампера и т.д. smd резисторы и конденсаторы удобно паяются друг на друга потому можно легко подбирать необходимый ток.
Конденсаторы на входной фильтр питания и обрезки текстолита у меня были, а больше ничего не требуется.

Ну в общем стал я изобретать свой велосипед драйвер. накидал побыстрому платку в Спринте, схема из даташита, потому придумывать ничего не пришлось.
подобрал кусочек текстолита что бы сделать сразу 5 плат (планирую переделать 5 галогеновых светильников на светодиоды).

Немного фоток процесса и схема

Перенёс на текстолит.

Вытравил, просверлил отверстия, порезал на отдельные платки, пролудил дорожки и промыл от остатков флюса.

Собрал все необходимые компонеты

На выходе получилась такая платка, она больше по размерам чем продающиеся у китайцев, но имеет более мощный дроссель и два параллельных диода, соответственно меньшие потери и большую надежность, а габариты мне были совершенно некритичны.

После этого естественно захотелось проверить (куда же без этого).
Проверял с этими светодиодами -

Попутно выяснилось, что микросхема ток стабилизирует нормально, но все равно при полуторакратном повышении напряжения на входе, ток на выходе хоть несильно, но меняется.
Но я немного грешу на то, что может быть большая погрешность из-за пульсирующего тока (выходной ток измерял последовательно со светодиодом).
Можно было конечно померять ток при помощи резистора и осциллографа, но я счел это излишним, так как хорошо было заметно переход с линейного режима до ограничения тока, и последующий переход в режим стабилизации в режиме с ШИМ стабилизацией.

Номинал шунта был 1/6=0,166 Ома.

При таких параметрах на входе, на выходе был ток 0.7 Ампера.

При таких ток на выходе был 0.65 Ампера

Перед пороговым напряжением перехода в режим ШИМ стабилизации я получил максимальный ток -

При плавном повышении напряжения питания, входной ток сначала плавно рос, после перехода в режим стабилизации и дальнейшем повышении начинал плавно падать, что говорит о работе ШИМ стабилизации.
Кстати, при очень плавном повышении напряжения питания заметен переход, яркость светодиода сначала плавно увеличивается, после перехода скачкообразно снижается процентов на 10, после этого (при дальнейшем повышении входного напряжения) больше не меняется.
Видимо так микросхема отрабатывает включение ШИМ стабилизации.
Нагрев при токе 600мА практически не чувствуется, бесконтактно мерять нечем, а контактное измерение внесет большую погрешность.
Пробовал давать на выход 1 Ампер, нагрев конечно увеличивался, но несильно. да и нагрев был только у микросхемы. В общем остался доволен.

Спросите почему не купил готовое на том же Али?
-Детали пригодятся и в других поделках.
-Хотелось немного «размять руки».
-Затраты на все компоненты получились примерно 1 доллар на 1 плату.
-Решил протестировать не готовое устройство, а детали, так как их применяют не только в драйверах.
-На выходе получил устройство надежнее, чем предлагают магазины Китая.

Очень надеюсь, что данный обзор будет полезен.

Планирую купить +124 Добавить в избранное Обзор понравился +129 +282

Светодиоды продолжают форсировать очередные рубежи в мире искусственного освещения, подтверждая своё превосходство целым рядом преимуществ. Большая заслуга в успешном развитии LED-технологий принадлежит источникам питания. Работая в тандеме, драйвер и светодиод открывают новые горизонты, гарантируя потребителю стабильную яркость и заявленный срок службы.

Что собой представляет светодиодный драйвер, и какая функциональная нагрузка на него возложена? На что обратить внимание при выборе и есть ли альтернатива? Попробуем разобраться.

Что такое драйвер для светодиода и для чего он нужен?

Выражаясь по-научному, LED-драйвером называют электронное устройство, основным выходным параметром которого является стабилизированный ток. Именно ток, а не напряжение. Устройство со стабилизацией напряжения принято именовать «блоком питания» с указанием номинального выходного напряжения. Его используют для запитки светодиодных лент, модулей и LED-линеек. Но речь пойдет не о нём.

Главный электрический параметр драйвера для светодиода – выходной ток, который он может длительно обеспечивать при подключении соответствующей нагрузки. В роли нагрузки выступают отдельные светодиоды или сборки на их основе. Для стабильного свечения необходимо, чтобы через кристалл светодиода протекал ток, указанный в паспортных данных. В свою очередь, напряжение на нём упадёт ровно столько, сколько потребуется p-n переходу при данном значении тока. Точные значения протекающего тока и прямого падения напряжения можно определить из вольта-мперной характеристики (ВАХ) полупроводникового прибора. Питание драйвер получает, как правило, от постоянной сети 12 В или переменной сети 220 В. Его выходное напряжение указывается в виде двух крайних значений, между которыми гарантируется стабильная работа. Как правило, рабочий диапазон может быть от трёх вольт до нескольких десятков вольт. Например, драйвер с U вых =9-12 В, I вых =350 мА, как правило, предназначен для последовательного подключения трёх белых светодиодов мощностью 1 Вт. На каждом элементе упадёт примерно 3,3 В, что в сумме составит 9,9 В, а значит это попадает в указанный диапазон.

К стабилизатору с разбросом напряжений на выходе 9-21 В и током 780 мА можно подключить от трех до шести светодиодов по 3 Вт каждый. Такой драйвер считается более универсальным, но имеет меньший КПД при включении с минимальной нагрузкой.

Немаловажным параметром светодиодного драйвера является мощность, которую он может отдать в нагрузку. Не стоит пытаться выжать из него максимум. Особенно это касается радиолюбителей, которые мастерят последовательно-параллельные цепочки из светодиодов с выравнивающими резисторами, а потом этой самодельной матрицей перегружают выходной транзистор стабилизатора.

Электронная часть драйвера для светодиода зависит от многих факторов:

входных и выходных параметров;
класса защиты;
применяемой элементной базы;
производителя.

Современные драйверы для светодиодов изготавливают по принципу ШИМ-преобразования и с помощью специализированных микросхем. Широтно-импульсные преобразователи состоят из импульсного трансформатора и схемы стабилизации тока. Они питаются от сети 220 В, имеют высокий КПД и защиту от короткого замыкания и перегрузки.

Драйверы на базе одной микросхемы более компактны, так как рассчитаны на питание от низковольтного источника постоянного тока. Они также обладают высоким КПД, но их надёжность ниже из-за упрощенной электронной схемы. Такие устройства очень востребованы при светодиодном тюнинге автомобиля. В качестве примера можно назвать ИМС PT4115, о готовом схемотехническом решении на основе этой микросхемы можно прочесть в .

Критерии выбора

Сразу хочется отметить, что резистор – это не альтернатива драйверу для светодиода. Он никогда не защитит от импульсных помех и перепадов в питающей сети. Любое изменение входного напряжения пройдёт через резистор и приведет к скачкообразному изменению тока из-за нелинейности ВАХ светодиода. Драйвер, собранный на базе линейного стабилизатора – тоже не лучший вариант. Низкая эффективность сильно ограничивает его возможности.

Выбирать LED-драйвер нужно только после того, как будет точно известно количество и мощность подключаемых светодиодов.

Помните! Чипы одного типоразмера могут иметь различную мощность потребления ввиду большого количества подделок. Поэтому старайтесь приобретать светодиоды только в проверенных магазинах.

Касаемо технических параметров, то на корпусе LED-драйвера обязательно должно быть указано:

мощность;
рабочий диапазон входного напряжения;
рабочий диапазон выходного напряжения;
номинальный стабилизированный ток;
степень защиты от влаги и пыли.

Очень привлекательны бескорпусные драйверы с питанием от 12 В и 220 В. Среди них существуют разные модификации, в которых можно подключать как один, так и несколько мощных светодиодов. Такие устройства удобны для проведения лабораторных исследований и экспериментов. Для домашнего использования всё равно придётся поместить изделие в корпус. В итоге денежная экономия на плате драйвера открытого типа достигается в ущерб надежности и эстетики.

Кроме подбора драйвера для светодиода по электрическим параметрам, потенциальный покупатель должен четко представлять условия его будущей эксплуатации (место размещения, температура, влажность). Ведь оттого, где и как будет установлен драйвер, зависит надёжность всей системы.

Читайте так же

Недавно один знакомый попросил меня помочь с проблемой. Он занимается разработкой LED ламп, попутно ими приторговывая. У него скопилось некоторое количество ламп, работающих неправильно. Внешне это выражается так – при включении лампа вспыхивает на короткое время (менее секунды) на секунду гаснет и так повторяется бесконечно. Он дал мне на исследование три таких лампы, я проблему решил, неисправность оказалась очень интересной (прямо в стиле Эркюля Пуаро) и я хочу рассказать о пути поиска неисправности.

LED лампа выглядит вот так:

Рис 1. Внешний вид разобранной LED лампы

Разработчик применил любопытное решение – тепло от работающих светодиодов забирается тепловой трубкой и передается на классический алюминиевый радиатор. По словам автора, такое решение позволяет обеспечить правильный тепловой режим для светодиодов, минимизируя тепловую деградацию и обеспечивая максимально возможный срок службы диодов. Попутно увеличивается срок службы драйвера питания диодов, так как плата драйвера оказывается вынесенной из теплового контура и температура платы не превышает 50 градусов Цельсия.

Такое решение – разделить функциональные зоны излучения света, отвода тепла и генерации питающего тока – позволило получить высокие эксплуатационные характеристики лампы по надежности, долговечности и ремонтопригодности.
Минус таких ламп, как ни странно, прямо вытекает из ее плюсов – долговечная лампа не нужна производителям:). Историю о сговоре производителей ламп накаливания о максимальном сроке службы в 1000 часов все помнят?

Ну и не могу не отметить характерный внешний вид изделия. Мой «госконтроль» (жена) не разрешил мне ставить эти лампы в люстру, где они видны.

Вернемся к проблемам драйвера.

Вот так выглядит плата драйвера:

Рис 2. Внешний вид платы LED драйвера со стороны поверхностного монтажа

И с обратной стороны:

Рис 3. Внешний вид платы LED драйвера со стороны силовых деталей

Изучение ее под микроскопом позволило определить тип управляющей микросхемы – это MT7930. Это микросхема контроля обратноходового преобразователя (Fly Back), обвешанная разнообразными защитами, как новогодняя елка – игрушками.

В МТ7930 встроены защиты:

От превышения тока ключевого элемента
понижения напряжения питания
повышения напряжения питания
короткого замыкания в нагрузке и обрыва нагрузки.
от превышения температуры кристалла

Декларирование защиты от короткого замыкания в нагрузке для источника тока носит скорее маркетинговый характер:)

Принципиальной схемы на именно такой драйвер добыть не удалось, однако поиск в сети дал несколько очень похожих схем. Наиболее близкая приведена на рисунке:

Рис 4. LED Driver MT7930. Схема электрическая принципиальная

Анализ этой схемы и вдумчивое чтение мануала к микросхеме привело меня к выводу, что источник проблемы мигания – это срабатывание защиты после старта. Т.е. процедура начального запуска проходит (вспыхивание лампы – это оно и есть), но далее преобразователь выключается по какой-то из защит, конденсаторы питания разряжаются и цикл начинается заново.

Внимание! В схеме присутствуют опасные для жизни напряжения! Не повторять без должного понимания что вы делаете!

Для исследования сигналов осциллографом надо развязать схему от сети, чтобы не было гальванического контакта. Для этого я применил разделительный трансформатор. На балконе в запасах были найдены два трансформатора ТН36 еще советского производства, датированные 1975 годом. Ну, это вечные устройства, массивные, залитые полностью зеленым лаком. Подключил по схеме 220 – 24 – 24 -220. Т.е. сначала понизил напряжение до 24 вольт (4 вторичных обмотки по 6.3 вольта), а потом повысил. Наличие нескольких первичных обмоток с отводами дало мне возможность поиграть с разными напряжениями питания – от 110 вольт до 238 вольт. Такое решение конечно несколько избыточно, но вполне пригодно для одноразовых измерений.

Рис 5. Фото разделительного трансформатора

Из описания старта в мануале следует, что при подаче питания начинает заряжаться конденсатор С8 через резисторы R1 и R2 суммарным сопротивлением около 600 ком. Два резистора применены из требований безопасности, чтобы при пробое одного ток через эту цепь не превысил безопасного значения.

Итак, конденсатор по питанию медленно заряжается (это время порядка 300-400 мс) и когда напряжение на нем достигает уровня 18,5 вольт – запускается процедура старта преобразователя. Микросхема начинает генерировать последовательность импульсов на ключевой полевой транзистор, что приводит к возникновению напряжения на обмотке Na. Это напряжение используется двояко – для формирования импульсов обратной связи для контроля выходного тока (цепь R5 R6 C5) и для формирования напряжения рабочего питания микросхемы (цепь D2 R9). Одновременно в выходной цепи возникает ток, который и приводит к зажиганию лампы.

Почему же срабатывает защита и по какому именно параметру?

Первое предположение

Срабатывание защиты по превышению выходного напряжения?

Для проверки этого предположения я выпаял и проверил резисторы в цепи делителя (R5 10 ком и R6 39 ком). Не выпаивая их не проверить, поскольку через обмотку трансформатора они запараллелены. Элементы оказались исправны, но в какой-то момент схема заработала!

Я проверил осциллографом формы и напряжения сигналов во всех точках преобразователя и с удивлением убедился, что все они – полностью паспортные. Никаких отклонений от нормы…

Дал схеме поработать часок – все ОК.

А если дать ей остыть? После 20 минут в выключенном состоянии не работает.

Очень хорошо, видимо дело в нагреве какого-то элемента?

Но какого? И какие же параметры элемента могут уплывать?

В этой точке я сделал вывод, что на плате преобразователя имеется какой-то элемент, чувствительный к температуре. Нагрев этого элемента полностью нормализует работу схемы.
Что же это за элемент?

Второе предположение

Подозрение пало на трансформатор. Проблема мыслилась так – трансформатор из-за неточностей изготовления (скажем на пару витков недомотана обмотка) работает в области насыщения и из-за резкого падения индуктивности и резкого нарастания тока срабатывает защита по току полевого ключа. Это резистор R4 R8 R19 в цепи стока, сигнал с которого подается на вывод 8 (CS, видимо Current Sense) микросхемы и используется для цепи ОС по току и при превышении уставки в 2.4 вольта отключает генерацию для защиты полевого транзистора и трансформатора от повреждений. На исследуемой плате стоит параллельно два резистора R15 R16 с эквивалентным сопротивлением 2,3 ома.

Но насколько я знаю, параметры трансформатора при нагреве ухудшаются, т.е. поведение системы должно быть другим – включение, работа минут 5-10 и выключение. Трансформатор на плате весьма массивный и тепловая постоянная у него ну никак не менее единиц минут.
Может, конечно в нем есть короткозамкнутый виток, который исчезает при нагреве?

Перепайка трансформатора на гарантированно исправный была в тот момент невозможна (не привезли еще гарантированно рабочую плату), поэтому оставил этот вариант на потом, когда совсем версий не останется:). Плюс интуитивное ощущение – не оно. Я доверяю своей инженерной интуиции.

К этому моменту я проверил гипотезу о срабатывании защиты по току, уменьшив резистор ОС по току вдвое припайкой параллельно ему такого же – это никак не повлияло на моргание лампы.

Значит, с током полевого транзистора все нормально и превышения по току нет. Это было хорошо видно и по форме сигнала на экране осциллографа. Пик пилообразного сигнала составлял 1,8 вольта и явно не достигал значения в 2,4 вольта, при котором микросхема выключает генерацию.

К изменению нагрузки схема также оказалась нечувствительна – ни подсоединение второй головки параллельно, ни переключение прогретой головы на холодную и обратно ничего не меняло.

Третье предположение

Я исследовал напряжение питания микросхемы. При работе в штатном режиме все напряжения были абсолютно нормальными. В мигающем режиме тоже, насколько можно было судить по формам сигналов на экране осциллографа.

По прежнему, система мигала в холодном состоянии и начинала нормально работать при прогреве ножки трансформатора паяльником. Секунд 15 погреть – и все нормально заводится.

Прогрев микросхемы паяльником ничего не давал.

И очень смущало малое время нагрева… что там может за 15 секунд измениться?

В какой-то момент сел и методично, логически отсек все гарантированно работающее. Раз лампа загорается - значит цепи запуска исправны.
Раз нагревом платы удается запустить систему и она часами работает - значит и силовые системы исправны.
Остывает и перестает работать - что-то зависит от температуры…
Трещина на плате в цепи обратной связи? Остывает и сжимается, контакт нарушается, нагревается, расширяется и контакт восстанавливается?
Пролазил тестером холодную плату - нет обрывов.

Что же еще может мешать переходу от режима запуска в рабочий режим?!!!

От полной безнадеги интуитивно припаял параллельно электролитическому конденсатору 10 мкф на 35 вольт по питанию микросхемы такой же.

И тут наступило счастье. Заработало!

Замена конденсатора 10 мкф на 22 мкф полностью решило проблему.

Вот он, виновник проблемы:

Рис 6. Конденсатор с неправильной емкостью

Теперь стал понятен механизм неисправности. Схема имеет две цепи питания микросхемы. Первая, запускающая, медленно заряжает конденсатор С8 при подаче 220 вольт через резистор в 600 ком. После его заряда микросхема начинает генерировать импульсы для полевика, запуская силовую часть схемы. Это приводит к генерации питания для микросхемы в рабочем режиме на отдельной обмотке, которое поступает на конденсатор через диод с резистором. Сигнал с этой обмотки также используется для стабилизации выходного тока.

Пока система не вышла в рабочий режим - микросхема питается запасенной энергией в конденсаторе. И ее не хватало чуть-чуть - буквально пары-тройки процентов.
Падения напряжения оказалось достаточно, чтобы система защиты микросхемы срабатывала по пониженному питанию и отключала все. И цикл начинался заново.

Отловить эту просадку напряжения питания осциллографом не получалось - слишком грубая оценка. Мне казалось, что все нормально.

Прогрев же платы увеличивал емкость конденсатора на недостающие проценты - и энергии уже хватало на нормальный запуск.

Понятно, почему только некоторая часть драйверов отказала при полностью исправных элементах. Сыграло роль причудливое сочетание следующих факторов:

Малая емкость конденсатора по питанию. Положительную роль сыграл допуск на емкость электролитических конденсаторов (-20% +80%), т.е. емкости номиналом 10 мкф в 80% случаев имеют реальную емкость около 18 мкф. Со временем емкость уменьшается из-за высыхания электролита.
Положительная температурная зависимость емкости электролитических конденсаторов от температуры. Повышенная температура на месте выходного контроля - достаточно буквально пары-тройки градусов и емкости хватает для нормального запуска. Если предположить, что на месте выходного контроля было не 20 градусов, а 25-27, то этого оказалось достаточно для практически 100% прохождения выходного контроля.

Производитель драйверов сэкономил конечно, применив емкости меньшего номинала по сравнению с референс дизайн из мануала (там указано 22 мкф) но свежие емкости при повышенной температуре и с учетом разброса +80% позволили партию драйверов сдать заказчику. Заказчик получил вроде бы работающие драйверы, которые со временем стали отказывать по непонятной причине. Интересно было бы узнать – инженеры производителя учли особенности поведения электролитических конденсаторов при повышении температуры и естественный разброс или это получилось случайно?

У каждого диода, в свою очередь, в описании указано падение напряжения при разных токах. Например, для красного диода 660 нм при токе 600 мА оно составит 2,5 В:

Количество диодов, которое можно подключить на драйвер, суммарным падением напряжения должно укладываться в пределы выходного напряжения драйвера. То есть на драйвер 50Вт 600 мА с выходным напряжением 60-83 В можно подключить от 24 до 33 красных диодов 660 нм. (То есть 2,5*24 = 60, 2,5*33 = 82,5).

Другой пример:
Хотим собрать биколорную лампу красный + синий. Выбрали соотношение красного к синему 3:1 и хотим рассчитать, какой драйвер нужно взять для 42 красных и 14 синих диодов. Считаем: 42*2,5 + 14*3,5 = 154 В. Значит, нам потребуется два драйвера 50 Вт 600 мА, на каждый будет приходиться 21 красных и 7 синих диодов, суммарное падение напряжения на каждом получится по 77 В, что попадает в его выходное напряжение.

Теперь несколько важных пояснений:

1) Не стоит искать драйвер мощностью более 50 Вт: они есть, но они менее эффективны, чем аналогичный набор драйверов меньшей мощности. Более того, они будут сильно греться, что потребует от Вас дополнительных расходов на более мощное охлаждение. Кроме тго, драйвера мощностью более 50Вт как правило сильно дороже, например драйвер на 100Вт может быть дороже чем 2 драйвера по 50Вт. Поэтому гнаться за ними не стоит. Да и надежнее когда цепи светодиодов разделены на секции, если вдруг что-то перегорит - то сгорит не все а только чать. Поэтому выгодно разделять на несколько драйверов, а не стремиться все повесить на один. Вывод: 50Вт - оптимальный вариант, не больше.

2) Ток у драйверов бывает разный: 300 мА, 600 мА, 750 мА - это ходовые. Других вариантов довольно много.
По большому счету, более эффективным с точки зрения КПД на 1 Вт будет использование драйвера на 300 мА, также он не будет сильно нагружать светодиоды, и они будут меньше греться и дольше прослужат. Но главный минус таких драйверов, что диоды будут работать "вполсилы", и поэтому их потребуется примерно в два раза больше, чем для аналога с 600 мА.
Драйвер с током 750 мА будет питать диоды на пределе возможностей, поэтому диоды будут очень сильно греться, и им потребуется очень мощное, хорошо продуманное охлаждение. Но даже несмотря на это, они в любом случае деградируют от перегрева раньше среднего срока "жизни" светодиодных ламп работающих например на 500-600 мА токе.
Поэтому мы рекомендуем использовать драйверы с током 600 мА. Они получаются самым оптимальным решением с точки зрения соотношения цена-эффективность-срок службы.

3) Мощность диодов указывается номинальная, то есть максимально возможная. Но на максимум они никогда не запитываются (почему - см. п.2). Реальную мощность диода рассчитать очень просто: необходимо ток используемого драйвера умножить на падение напряжения диода. Например, при подключении драйвера на 600 mA к красному диоду 660 нм мы получим реальное напряжение на диоде: 0,6(А) * 2,5(В) = 1,5 Вт.