Светодиодные светильники выполняют свои функции полноценно при качественном питании. Даже незначительные колебания силы тока в цепи провоцируют видимые пульсации, ухудшают долговечность. Аналогичные задачи решают в процессе зарядки аккумуляторных батарей. Для корректного решения обозначенных и других проблем подойдет стабилизатор тока на транзисторе. Самостоятельная сборка поможет обеспечить рабочие параметры устройства в точном соответствии с техническим заданием. Представленные ниже сведения пригодятся для выбора оптимальной электрической схемы.
Подключение мощного светодиода к сети питания через специализированный интегральный стабилизатор
Виды стабилизаторов
В простейшем варианте применяют ограничитель сил тока из резистора, установленного последовательно в цепь со светодиодом. Стандартные приборы подключают к источникам 5V (12V). Увеличивая напряжение, можно улучшить точность, однако при этом снизится КПД.
Стабилизатор напряжения на транзисторе
Максимальные значения электрических параметров источника должны быть на 10% больше рабочих значений светодиода. Падение напряжения указано в сопроводительной документации. Для расчета резистора (R) применяют следующую формулу:
(Uп — Uc)/ Iпот,
где:
- Uп – напряжение источника питания;
- Uc – падение на светодиоде;
- Iпот – ток потребления.
Пример:
- Uп = 5 V;
- Uc = 2,5 V;
- Iпот = 0,25 А;
- R = (5-2,5)/0,3 ≈ 8,33 Ом;
- ближайший номинал – 8,45 Ом;
- мощность резистора = 0,3*0,3*8,45 ≈ 0,75 Вт.
К сведению. Последняя строка расчета наглядно демонстрирует энергетические потери. Нагревающийся резистор будет повышать температуру окружающей среды.
Усовершенствованные схемы собирают из следующих компонентов:
- трансформатором изменяют нужным образом амплитуду сигнала;
- для выпрямления применяют обычный мостик из диодов;
- конденсаторами сглаживают пульсации;
- резисторами ограничивают выходные токи.
Транзисторный стабилизатор напряжения и тока отличается экономичностью. Электрическое сопротивление во входной цепи устанавливают в качестве датчика. Этот компонент дополняет стабилитрон. Изменение напряжения на эмиттере позволяет регулировать выходные параметры автоматически без контроля и вмешательства со стороны пользователя.
Аналогичные функции вместо стабилитрона способен выполнить эмиттерный переход биполярного транзистора при соответствующем включении в электрическую схему.
Полевой транзистор применяют для подключения цепочек из нескольких светодиодов, других мощных нагрузок
Вместо набора из нескольких радиодеталей удобнее пользоваться специализированными микросхемами. Такие изделия обеспечивают высокую точность поддержания рабочих параметров выходного сигнала. Как в примере со стабилитроном, в определенной цепи устанавливают резистор для оперативного детектирования изменения силы тока.
Отдельно следует отметить импульсные схемы стабилизаторов. Такие изделия создают на основе быстродействующих электронных ключей. Главной особенностью является возможность оперировать с относительно высокими значениями выходных напряжений.
Многофункциональный прибор
Среднюю сложность изготовления имеют драйверы для светодиодов на 220 В. Много времени может занять их настройка, требующая опыта по наладке. Такой драйвер извлечь можно из светодиодных ламп, прожекторов и светильников с неисправной светодиодной цепью. Большинство из них также возможно доработать, узнав модель контроллера преобразователя. Параметры обычно задаются одним или несколькими резисторами.
Ещё недавно высокой популярностью пользовался универсальный модуль XL4015. По своим характеристикам он подходит для подключения светодиодов с высокой мощностью (до 100 Ватт). Стандартный вариант его корпуса припаян к плате, выполняющей функции радиатора. Чтобы улучшить охлаждение XL4015, схема должна быть доработана с установкой радиатора на коробку устройства.
Многие пользователи просто ставят его сверху, однако, эффективность такой установки довольно низкая. Систему охлаждения желательно располагать внизу платы, напротив пайки микросхемы. Для оптимального качества её можно отпаять и установить на полноценный радиатор, используя термопасту. Провода потребуется удлинить. Дополнительное охлаждение можно монтировать и для диодов, что значительно повысит эффективность работы всей схемы.
Среди драйверов наиболее универсальным считается регулируемый. Обязательно устанавливается переменный резистор, который задаёт количество ампер. Эти характеристики обычно указываются в следующих документах:
- В сопроводительной документации к микросхеме.
- В datasheet.
- В стандартной схеме включения.
Без добавочного охлаждения микросхемы такие устройства выдерживают 1—3 А (в соответствии с моделью контроллера широтно-импульсной модуляции). Главный недостаток этих драйверов — чрезмерный нагрев диода и дросселя. Выше 3 А потребуется охлаждение мощного диода и контроллера. Дроссель заменяют более подходящим либо перематывают толстым проводом.
Простой стабилизатор тока на транзисторе
Схема стабилизатора тока на полевом транзисторе
Параметры компонентов и рабочие характеристики схемы:
- R1 выбирают 1-15 Ом;
- R2 – от 150 до 250 Ом;
- D1 – стабилитрон или резистор подходящего номинала;
- Q1 – КТ 818 или аналог;
- напряжение источника питания – от 8 до 40 V;
- ток на выходе – 0,5-4,5А.
Стабилизатор тока на одном транзисторе
Пояснения:
- R2 и D2 формируют стандартный делитель напряжения;
- изменением потенциала на базе корректируется ток в цепи коллектора;
- при подключении мощной нагрузки R1 сильно нагревается;
- для точной регулировки выходных параметров устанавливают переменное сопротивление R2 (изменяют порог насыщения на соответствующем полупроводниковом переходе);
- при необходимости увеличивают выходной ток с применением составного транзистора.
Если расчет сделан точно, в рабочем диапазоне стабилизация тока выполняется с минимальными потерями. Простую схему несложно изготовить собственными руками даже без предыдущего опыта сборки.
Где заказать детали?
Для поиска качественных и одновременно доступных по цене модулей можно воспользоваться сайтом Aliexpress. Стоимость при этом будет в 2-3 раза дешевле по сравнению с другими магазинами. Поэтому для тестирования лучше заказать сразу 2-3 штуки (например, на 12 вольт) по минимальной цене. На сайте возможно найти любой стабилизатор тока в свободной продаже, включая узкоспециализированный. При наличии соответствующего опыта, всего за 10000 рублей можно изготовить спектрометр стоимостью в 100000 рублей. Разница в 90% — это, как правило, накрутка за бренд (плюс несколько переработанный китайский софт).
Лидерские позиции по ассортименту преобразователей тока, блоков питания и драйверов заняли китайские интернет-магазины. Заказы приходят в 98% случаев. Цены за DC-DC преобразователь начинаются от 35 рублей. Более дорогие версии могут отличаться наличием двух-трех подстроечных резисторов, вместо одного. Заказ лучше оформлять заранее.
Сборка стабилизатора тока из двух транзисторов
Стабилизатор тока на LM317 для светодиодов
В этой схеме функции датчика выполняет резистор R2. Его номинал при подключении светодиодов выбирают с помощью формулы:
0,6/ Iн (ток в нагрузке).
Увеличение Iн открывает VT2, который, в свою очередь, запирает переход транзистора VT1.
Стабилизатор на двух транзисторах
Недостатком схемы специалисты считают существенное падение напряжения на основном транзисторе. При подключении нескольких светодиодов проблемы не возникают. Однако по мере увеличения нагрузки приходится ставить VT1 на крупный радиатор, обеспечивать эффективную вентиляцию рабочего объема. Подобные решения используют для создания мощных зарядных устройств.
Конструкция и принцип работы
Стабилизатор обеспечивает постоянство тока при его отклонении
Стабилизатор обеспечивает постоянство показателей рабочего тока LED-диодов при его отклонении от нормы. Он предотвращает перегрев и выгорание светодиодов, поддерживает постоянство потока при перепадах напряжения или разрядке АКБ.
Простейшее устройство состоит из трансформатора, выпрямительного моста, соединенного с резисторами и конденсаторами. Действие стабилизатора основывается на следующих принципах:
- подача тока на трансформатор и изменение его предельной частоты до частоты электросети – 50 Гц;
- регулировка напряжения на повышение и понижение с последующим выравниванием частоты до 30 Гц.
В процессе преобразования также задействуются выпрямители высоковольтного типа. Они определяют полярность. Стабилизация электрического тока осуществляется при помощи конденсаторов. Для снижения помех применяются резисторы.
Реле тока на микросхемах импульсных стабилизаторов
Для уменьшения потерь и поддержания широкого рабочего диапазона применяют готовые решения. В этом разделе представлен импульсный стабилизатор тока на микросхеме MAX771.
Импульсный стабилизатор
Контрольное напряжение подают с делителя (R1, R2). Если превышен установленный производителем уровень, автоматически корректируются выходные параметры.
Выбор схемы включения
На практике применяют разные инженерные решения. В частности, для подключения светодиодных светильников производители предлагают импульсные источники питания. Эти устройства выполняют свои функции с помощью частотного преобразования и модуляции сигнала. Для управления ключом устанавливают микросхемы. Для дозированного накопления энергии используют дроссель.
Импульсный стабилизатор тока
Для упрощения в данной статье рассмотрена линейная стабилизация. Устройства, созданные по этой схеме, не создают сильные электромагнитные помехи. В этом – главное отличие от импульсных аналогов.
Как сделать светодиодный стабилизатор
Простую конструкцию из резистора, конденсатора и стабилитрона можно собрать буквально за несколько минут. Используют универсальную монтажную плату или навесной способ сборки. Номинал электрического сопротивления выбирают с учетом параметров нагрузки. При необходимости устанавливают самодельный радиатор из подходящей алюминиевой пластины.
Схема блока питания на стабилитроне
LM317
Применение LM317 (крен) даже не требует каких либо навыков и знаний по электронике. Количество внешних элементов в схемах минимально, поэтому это доступный вариант для любого. Её цена очень низкая, возможности и применение многократно испытаны и проверены. Только она требует хорошего охлаждения, это её основной недостаток. Единственное стоит опасаться низкокачественных китайских микросхем ЛМ317, которые имеют параметры похуже.
Микросхемы линейной стабилизации из-за отсутствия лишних шумов на выходе, использовал для питания высококачественных ЦАП класса Hi-Fi и Hi-End. Для ЦАП огромную роль играет чистота питания, поэтому некоторые используют аккумуляторы для этого.
Схема стабилизации до 10 ампер
Максимальная сила для LM317 составляет 1,5 Ампера. Для увеличения количества ампер можно добавить в схему полевой транзистор или обычный. На выходе можно будет получить до 10А, задаётся низкоомным сопротивлением. На данной схеме основную нагрузку на себя берёт транзистор КТ825.
Другой способ, это поставить аналог с более высокими техническими характеристиками на большую систему охлаждения.
Стабилизаторы тока на микросхемах
Применение такой элементной базы несколько увеличивает себестоимость проекта. Однако использование качественных микросхем обеспечивает хорошие стабилизационные характеристики в широком диапазоне входных параметров. С учетом хороших показателей эффективности можно рассчитывать на небольшое потребление электроэнергии.
TL431
В левой части рисунка показана схема типового подключения микросхемы TL 431 (DA1). Отмечена главная функция – поддержание напряжения 2,5 V на контрольном резисторе.
Применение микросхемы TL 4310
Такая конструкция пригодна для последовательного подключения нескольких десятков светодиодов суммарной мощностью 12-14 Вт. Силовые компоненты подбирают с учетом реальных потребностей. В представленном примере падение напряжения на транзисторе составит 25-35V. Рассеивается не более 1,75 Вт. В таком варианте радиатор не требуется.
Резистор на входе (R3) предотвращает повреждение конденсатора при включении блока в сеть. Ток в нагрузке ограничивает безопасным уровнем сопротивление R3. При выборе светодиодов специалисты рекомендуют делать запас по мощности, чтобы продлить срок службы одновременно с уменьшением тепловыделения.
LM7805, LM7812
В представленном ниже варианте схемотехники следует повысить входное напряжение. Его уровень должен быть больше на 2,5-3V, чем номинал стабилизации данной микросхемы.
Подключение LM78**
В примере показан стабилизатор напряжения постоянного тока, который рассчитан на 9-11 Вт подключаемой нагрузки.
LM317
При подключении нагрузки 28-30 Вт эта микросхема обеспечивает стабилизацию тока 100 мА. Диапазон входного напряжения – от 207 до 240 V.
Стабилизатор и схема подключения светильника
В таблице на рисунке представлены значения регулировочного резистора, соответствующие определенным выходным параметрам.
При выборе подходящей схемы следует учесть в комплексе:
- минимальные и максимальные напряжения в цепи питания;
- точность стабилизации;
- эффективность устройства;
- сложность изготовления определенной конструкции собственными руками;
- стоимость комплектующих деталей, расходных материалов.
Заранее рекомендуется подготовить перечень инструментов, приспособлений, измерительных приборов. Аккуратное выполнение рассмотренных выше инструкций поможет создать функциональный стабилизатор без ошибок и лишних затрат.
Характеристика регулятора
По своему виду приспособления могут изготавливаться в портативном или стационарном исполнении. Устанавливаются они в любом положении: вертикальном, потолочном, горизонтальном.
К основным характеристикам устройств относят следующие параметры:
- Плавность регулировки. Обозначает минимальный шаг, с которым происходит изменение величины разности потенциалов на выходе. Чем он плавнее, тем точнее можно выставить значение напряжения на выходе.
- Рабочая мощность. Характеризуется значением силы тока, которое может пропускать через себя прибор продолжительное время без повреждения своих электронных связей.
- Максимальная мощность. Пиковая величина, которую кратковременно выдерживает устройство с сохранением своей работоспособности.
- Диапазон входного напряжения. Это значения входного сигнала, с которым устройство может работать.
- Диапазон изменяемого сигнала на выходе устройства. Обозначает значения разности потенциалов, которое может обеспечить устройство на выходе.
- Тип регулируемого сигнала. На вход устройства может подаваться как переменное, так и постоянное напряжение.
- Условия эксплуатации. Обозначает условия, при которых характеристики регулятора не изменяются.
- Способ управления. Выставление выходного уровня сигнала может осуществляться пользователем вручную или без его вмешательства.
Базовая конфигурация
Главная задача стабилизатора — обеспечить постоянство выходного напряжения и подавление пульсаций. Конструкция стабилизатора основана на простейшей схеме, но каждый её элемент я выбирал так, чтобы он идеально выполнял свою функцию:Для максимального подавления входных шумов сопротивление резистора R должно быть максимально, а в внутреннее сопротивление источника опорного напряжения Vref как можно ниже. Да и работать формирователь опорного напряжения будет лучше, если его питать от высокоомного источника. Таким требованиям отвечает источник стабильного тока (ГСТ).
Для высоковольтного стабилизатора я использовал ГСТ на двух транзисторах, что обеспечивает большую стабильность тока при колебаниях питающего напряжения.
Для низковольтных стабилизаторов можно использовать аналогичную схему или просто одиночный диод.
Для высоковольтных стабилизаторов я выбрал значение тока ГСТ около 5мА. Для низковольтных стабилизаторов можно выбрать значение поменьше.
Микросхеме TL431 для нормальной работы требуется минимум 2 мА.
Важное замечание: ГСТ на двух транзисторах может иногда возбуждаться, если использовать высокочастотные транзисторы. Поэтому я выбрал транзисторы MJ340/350 которые, как показывает мой опыт, работают стабильно
Стабилитроны довольно шумные и кроме того имеют плохой температурный коэффициент. Выходное напряжение при их использовании будет меняться в зависимости от температуры окружающей среды, а если в вашем усилителе активная вентиляция, то тем более. Кроме того, стабильность их внутреннего сопротивления тоже оставляет желать лучшего.
Вместо них я использовал TL431 в качестве источника опорного напряжения, так как их шумовые характеристики весьма достойны, они имеют низкое выходное сопротивление и довольно широкий диапазон выходных напряжений, которое устанавливается с помощью простого делителя.
Вы здесь
Главная › Инженеру-конструктору › 3. Электрооборудование, электроустановки › 3. Раздел 3.
Для получения более постоянного напряжения на нагрузке при изменении потребляемого тока к выходу выпрямителя подключают стабилизатор, который может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 1. В таком устройстве работают стабилитрон V5
и регулирующий транзистор
V6
. Расчет позволит выбрать все элементы стабилизатора, исходя из заданного выходного напряжения
Uн
и максимального тока нагрузки
Iн
. Однако оба эти параметра не должны превышать параметры уже рассчитанного выпрямителя. А если это условие нарушается, тогда сначала рассчитывают стабилизатор, а затем — выпрямитель и трансформатор питания. Расчет стабилизатора ведут в следующем порядке.
1. Определяют необходимое для работы стабилизатора входное напряжение (Uвып)
при заданном выходном
(Uн)
:
Uвып = Uн + 3
,
Здесь цифра 3, характеризующая минимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора, взята в расчете на использование как кремниевых, так и германиевых транзисторов. Если стабилизатор будет подключаться к готовому или уже рассчитанному выпрямителю, в дальнейших расчетах необходимо использовать реальное значение выпрямленного напряжения Uвып
.
2. Рассчитывают максимально рассеиваемую транзистором мощность:
Рmах = 1,3 (Uвып — Uн) Iн
,
3. Выбирают регулирующий транзистор. Его предельно допустимая рассеиваемая мощность должна быть больше значения Рmax
, предельно допустимое напряжение между эмиттером и коллектором — больше
Uвып
, а максимально допустимый ток коллектора — больше
Iн
.
4. Определяют максимальный ток базы регулирующего транзистора:
Iб.макс = Iн / h21Э min
,
где: h21Эmin — минимальный коэффициент передачи тока выбранного (по справочнику) транзистора.
.
5. Подбирают подходящий стабилитрон. Его напряжение стабилизации должно быть равно выходному напряжению стабилизатора, а значение максимального тока стабилизации превышать максимальный ток базы Iб max
.
6. Подсчитывают сопротивление резистора R1
:
R1 = (Uвып — Uст) / (Iб max + Iст min)
,
Здесь R1 — сопротивление резистора R1, Ом; Uст — напряжение стабилизации стабилитрона, В; Iб.max — вычисленное значение максимального тока базы транзистора, мА; Iст.min — минимальный ток стабилизации для данного стабилитрона, указанный в справочнике (обычно 3…5 мА).
.
7. Определяют мощность рассеяния резистора R1
:
PR1 = (Uвып — Uст)2 / R1
,
Может случиться, что маломощный стабилитрон не подойдет по максимальному току стабилизации и придется выбирать стабилитрон значительно большей мощности — такое случается при больших токах потребления и использовании транзистора с малым коэффициентом h21Э
. В таком случае целесообразно ввести в стабилизатор дополнительный транзистор
V7
малой мощности (рис. 2), который позволит снизить максимальный ток нагрузки для стабилитрона (а значит, и ток стабилизации) примерно в
h21Э
раз и применить, соответственно, маломощный стабилитрон.
В приведенных здесь расчетах отсутствует поправка на изменение сетевого напряжения, а также опущены некоторые другие уточнения, усложняющие расчеты. Проще испытать собранный стабилизатор в действии, изменяя его входное напряжение (или сетевое) на ± 10 % и точнее подобрать резистор R1 по наибольшей стабильности выходного напряжения при максимальном токе нагрузки.
Стабилизированный регулируемый блок питания с защитой от перегрузок
Множество радиолюбительских блоков питания (БП) выполнено на микросхемах КР142ЕН12, КР142ЕН22А, КР142ЕН24 и т.п. Нижний предел регулировки этих микросхем составляет 1,2…1,3 В, но иногда необходимо напряжение 0,5…1 В. Автор предлагает несколько технических решений БП на базе данных микросхем.
Интегральная микросхема (ИМС) КР142ЕН12А (рис.1) представляет собой регулируемый стабилизатор напряжения компенсационного типа в корпусе КТ-28-2, который позволяет питать устройства током до 1,5 А в диапазоне напряжений 1,2…37 В. Этот интегральный стабилизатор имеет термостабильную защиту по току и защиту выхода от короткого замыкания.
Рис.1. ИМС КР142ЕН12А
На основе ИМС КР142ЕН12А можно построить регулируемый блок питания, схема которого (без трансформатора и диодного моста) показана на рис.2. Выпрямленное входное напряжение подается с диодного моста на конденсатор С1. Транзистор VT2 и микросхема DA1 должны располагаться на радиаторе. Теплоотводящий фланец DA1 электрически соединен с выводом 2, поэтому если DA1 и транзистор VD2 расположены на одном радиаторе, то их нужно изолировать друг от друга. В авторском варианте DA1 установлена на отдельном небольшом радиаторе, который гальванически не связан с радиатором и транзистором VT2.
Рис.2. Регулируемый БП на ИМС КР142ЕН12А
РЕГУЛИРУЕМЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ С СИГНАЛИЗАЦИЕЙ ПЕРЕГРУЗКИ
Звуковая сигнализация позволяет пользователю быстро среагировать на аварийную ситуацию, если при экспериментах с различной радиоэлектронной аппаратурой возникла перегрузка источника питания. Схема источника питания с звуковым сигнализатором превышения потребления тока показана на рисунке.
Выпрямитель на диодах VD1—VD4 питается от трансформатора, вторичная обметка которого рассчитана на напряжение 18 В при токе нагрузки не менее 1 А, Регулируемый стабилизатор напряжения выполнен на транзисторах VT2 — VT5 по известной схеме. Переменным резистором R3 на выходе стабилизатора может быть установлено напряжение от 0 до +15 В.
