Светодиодный драйвер для автомобильного светового оборудования
В настоящее время, в связи со стремлением владельцев старых автомобилей перевести световое оборудование с ламп накаливания на светодиоды, достаточно востребованными являются конструкции бюджетных драйверов для светодиодов различной мощности. Ключевым словом является «бюджетных», т.к. конструкций драйверов, выполненных на различных микросхемах, в Поднебесной выпускается видимо-невидимо. И в то же время, практически всем из них свойственны существенные недостатки, требующие квалифицированного вмешательства при их установке и подключении к ним светодиодов.
Обусловлено это тем, что светодиоды, в отличие от ламп накаливания, для своей работы требуют стабильного тока. Напряжение, падающее на светодиодах, является вторичным, справочным параметром, нужным только для подбора диапазона выходных напряжений соответствующего драйвера. Для стабилизации тока требуется его датчик, самым дешевым из которых является обычный резистивный токоизмерительный шунт (RS на Рис. 1), включаемый, как правило, между катодом светодиода и минусовой шиной питания драйвера.
Рис. 1 Схема обычного подключения светодиодов к неинвертирующему драйверу
В результате светодиод оказывается запитанным «плавающим» напряжением, не связанным непосредственно ни с плюсовой шиной питания, ни с корпусом автомобиля (являющимся минусовой шиной). А это вынуждает устанавливать драйвер в непосредственной близости от светодиодов, в наименее защищенном от влаги месте. Существуют, конечно, датчики тока плюсовой шины (например, MAX4080, MAX4081, LT494, LT1637, LT1672, LT1784, LTC2053, LTC6800, INA337 и т.п.) [1, 2]. Но вот их дефицитность и стоимость.
Кроме того, большинство драйверов имеют конфигурацию либо понижающего, либо повышающего импульсного преобразователя [3]. Для первых недопустимо, чтобы падение напряжения на нагрузке превысило минимальное питающее напряжение и наоборот для вторых.
Однако, наиболее про́клятым сочетанием является случай, когда падение напряжения на светодиодах находится в диапазоне колебаний питающего напряжения. Скажем, падение напряжения на кластере из четырех соединенных последовательно белых светодиодов с падением напряжения на каждом из них 3…3,3 В, составляет 12…13,2 В, что практически равно напряжению кислотного аккумулятора. В этом случае начинаются «танцы с бубном» с использованием конфигураций SEPIC либо Step Up-Down. Вызывает недоумение зашоренность конструкторов, напрочь выпускающих из виду такую конфигурацию, как инвертирующий преобразователь, способный обеспечить выходное напряжение независимо от значения входного. Нельзя исключить, что сдерживающим фактором может быть низкий КПД такой конфигурации, составляющий всего 60…70%.
Еще раз внимательно рассмотрим Рис. 1. Источник питающего напряжения является двухполюсником. Потребитель (светодиоды) также являются двухполюсником. В таком случае, какая принципиальная разница, как подключать друг к другу два двухполюсника. Лишь бы соблюсти правильную полярность протекания тока через светодиоды да обеспечить необходимое значение этого тока (рис. 2)!
Рис. 2 Схема подключения светодиодов к инвертирующему драйверу
При такой конфигурации драйвер инвертирует выходное напряжение относительно входного, запитывая светодиоды током отрицательной полярности. При этом анод светодиода(ов) непосредственно соединяется с массой автомобиля, а токоизмерительный шунт (RS) продолжает оставаться включенным в отрицательное плечо.
Как же такой «изврат» реализовать практически? Да еще и с использованием самых дешевых и широко распространенных компонентов. Возьмем за основу микросхему импульсного преобразователя напряжения на MC34063, стоимость которого составляет менее $0.20 (а в SMD корпусе — еще дешевле). А если поискать, то ее вообще можно выпаять бесплатно из устаревшей аппаратуры. Например, модемов, свичей, даже некоторых старых материнских плат.
Рассмотрим конфигурацию инвертирующего преобразователя (схема из даташита), сразу же умощненного внешним p-n-p транзистором, дабы не зависеть от максимально допустимого пикового тока внутреннего ключа микросхемы, составляющего всего 1,5 А (рис. 3).
Рис. 3 Базовая инвертирующая (Voltage Inverting) конфигурация импульсного преобразователя на основе микросхемы MC34063
Принцип стабилизации выходного напряжения в данной схеме основан на поддержании потенциала 5-го вывода величиной +1,25 В относительно 4-го вывода. В то же время 4, 3 и 2 выводы подключены к наиболее минусовой (выходной) шине, поскольку используются внутренние узлы самой микросхемы. Подключение этих выводов к наиболее минусовому потенциалу является важнейшим требованием, т.к. обусловлено допустимыми значениями на p-n переходах внутримикросхемных транзисторов. В то же время, это существенно ограничивает максимально возможное значение отрицательного выходного напряжения, которое в сумме со входным не должно превышать максимально допустимого значения.
Но нам-то требуется стабилизировать ток! Причем, относительно общей шины. Причем, для цепочек светодиодов, составляющих светящиеся кластеры.
Для решения поставленной цели нужно решить две взаимосвязанных задачи:
- отделить выходное напряжение отрицательной полярности от питающего напряжения положительной полярности, чтобы не быть завязанным на максимальное напряжение питания микросхемы, которое для инвертирующей конфигурации равно сумме их абсолютных значений и не должно превышать 40 В;
- обеспечить инверсию напряжения измерительного сигнала от отрицательной полярности к положительной.
Поэтому без дополнительных компонентов (усилителя падения напряжения на токовом шунте) обойтись не удастся. Используем такой же дешевый (менее $0.10 в SMD корпусе) операционный усилитель LM358. И, опять же, его можно найти забесплатно в старой аппаратуре. С его применением эти задачи решаются следующим образом (Рис. 4):
Рис. 4 Принципиальная схема инвертирующего преобразователя со стабилизацией тока
Преобразователь на DA1 и внешнем транзисторе VT1 «молотит», в первом приближении не учитывая полярности и стабильности выходного напряжения. Об этом «заботится» каскад на ОУ DA2. Он построен на известном источнике тока для заземленной нагрузки на двух ОУ (Рис. 5) [5, 6]. Микросхема DA2 запитана по минусу от выходного отрицательного напряжения, формируемого преобразователем, а по плюсу — от положительного напряжения питания микросхемы DA1.
Рис. 5 Источник тока с заземлённой нагрузкой, не требующий плавающего источника питания
Фактически, схема состоит из двух источников тока. Первый на ОУ DA2.1 преобразует опорное напряжение на токоизмерительном шунте R1 в ток, создающий на резисторе R5 падение напряжения, пропорциональное току через светодиод (их цепочку) HL1. Поскольку ОУ LM358 способен работать с сигналами на уровне минусовой шины питания и даже минусовее ее на 0,4 В, то сопротивление токоизмерительного шунта R1 выбрано всего 0,1 Ома, что при токе через светодиод 0,9 А создает падение напряжения всего 0,09 В. С этим напряжением сравнивается падение напряжения на эмиттерном резисторе R6, которое, при его номинале 91 Ом, формирует ток, равный 1 мА. Этот ток создает на резисторе R5 (играющим такую же роль, как и R1) падение напряжения 2 В, поскольку по плюсовой шине ОУ не способен работать с уровнями сигналов, приближающимися к положительному питанию менее, чем на 1,5 В как по входу, так и по выходу.
Второй ОУ на DA2.2 формирует вытекающий ток, создающий на заземленном резисторе, подключенном между общей шиной и 5-м выводом микросхемы DA1 падение напряжения, равное +1,25 В при условии соответствия тока через токоизмерительный шунт R1 = 0,9 А. Регулировка этого тока под нужное значение осуществляется подстроечным резистором R8.
Стабилитрон ZD1 является защитным, предотвращающим чрезмерное повышение напряжения питания DA2 более 32 В при обрыве светодиода (их цепочки) и в штатном режиме не влияет на роботу схемы.
Недостатком этой схемы является ограниченный диапазон выходного отрицательного напряжения, которое вместе с бортовым напряжением питания не должно превышать максимально допустимого для ОУ DA2 32 В. Если принять напряжение питания (со всякими выбросами), равным 15…16 В, то на светодиоды остается всего те же 15…16 В, что соответствует цепочке из всего 4-х белых светодиодов. Красные можно подключить и цепочкой из 6 шт., но, во-первых, они более редкие, а значит и более дорогие, а во-вторых, их светоотдача более, чем в 2 раза ниже, чем у белых.
Для обхода этой проблемы вместо ОУ DA2.2 можно применить токовое зеркало (отражатель тока) на двух транзисторах (рис. 6). Тем более, что такой уж супер-пупер стабильности вытекающего тока для светодиодов совершенно не требуется. На глаз разница в яркости будет практически незаметной. Т.о., из двух ОУ нам нужен только один. НО! Стоимость одиночного ОУ с параметрами, близкими к параметрам LM358 (например, LM321), в 5…6 раз больше стоимости LM358, особенно в корпусе SO8. Парадокс — но факт. Проще и дешевле «заглушить» один из ОУ в корпусе (лучше с выводами 1, 2, 3), чем гоняться за экзотикой и переплачивать за нее. Питание микросхемы DA2.2 теперь осуществляется выходным отрицательным напряжением преобразователя и нулем входного напряжения, что позволяет запитать цепочку светодиодов суммарным напряжением до 32 В (9 светодиодов с падением напряжения до 3,3 В на каждом в виде кластера 3х3).
Рис. 6 Принципиальная схема инвертирующего преобразователя со стабилизацией тока и повышенным падением напряжения на нагрузке
Подстроечным резистором R5 регулируется коэффициент соответствия между входным и выходным токами. Защиты в данной схеме пока нет, это дело будущего.
Что делать, если и 32 В мало? Лёгко! Запитать ОУ DA2 по нулевой шине через примитивный стабилизатор напряжения на транзисторе (VT5), стабилитроне и резисторе. Трехвыводный стабилизатор 7924 применить, в принципе, тоже можно, но он также ограничен по значению максимального входного напряжения. Тем более, что особой стабильности питающего напряжения для ОУ не требуется.
В качестве ключевого транзистора VT1 вполне можно применить P-канальный полевой транзистор (опционально — с драйвером разрядного тока на биполярном транзисторе). Кроме того, подстройку +1,25 на входе компаратора ОС можно осуществлять изменением номинала сопротивления R5. Вариант схемы с указанными изменениями и дополнениями представлен на Рис. 7.
Рис. 7 Принципиальная схема высоковольтного инвертирующего преобразователя со стабилизацией тока
Поскольку за счет применения внешнего ключевого транзистора входы самой микросхемы DA1 никаким образом с выходным отрицательным напряжением не связаны, снимается ограничение на значение формируемого отрицательного напряжения.
Драйвер по Рис. 6 был установлен для питания светодиодных ДХО на Жигули-«зубило» зятя. К сожалению, фото не сохранилось, а зять с дочкой развелся…
Но его КПД был измерен и оказался равным 84%!
Светодиоды для авто своими руками
Многие автолюбители хотели бы заменить штатные лампочки накаливания в авто на светодиоды. Преимущество последних несомненно — низкий ток потребления, долговечность, более высокая светоотдача, отсутствие нагрева. Приятно оставить включенными габариты и поутру обнаружить, что аккумулятор и не думал разряжаться. Эта статья поможет самостоятельно произвести замену автомобильных лампочек на светодиоды своими руками и избежать типичных ошибок.
Основные позиции, которые нам нужно усвоить:
1. Напряжение в бортовой сети авто. Обычно это 12 — 13 В при заглушенном двигателе и 13 — 14,5 В при заведенном.
2. Напряжение питания типичного светодиода – 3,5 в. В зависимости от цвета это может быть : для желтых и красных светодиодов — 2 — 2,5 в.; для синих, зеленых, белых — 3-3,8 в. Типовой ток маломощного светодиода – 20 мА, мощного – 350 мА.
3. Не все светодиоды, в отличие от лампочек, освещают пространство вокруг себя. Это нужно учесть при замене индикаторных ламп, например, в приборной панели. При покупке следует обратить внимание на тип линзы или, если есть возможность, спросить у продавца. Узконаправленные светодиоды имеют на конце маленькую линзу. Вообще, постарайтесь проверить это при покупке, а 
еще лучше, купите и попробуйте несколько разных.
4. У светодиода, как и у аккумулятора, есть плюс и минус. Минус называется катодом, плюс — анодом, на схемах они изображаются так :
Вам должно быть понятно, что просто взять и включить
светодиод в бортовую сеть авто – это значит гарантированно его сжечь .
Подключаем светодиоды
1. В продаже продаются светодиодные панельки, так называемые кластеры, они рассчитаны на питание 12в. Их можно просто подключить к бортовой сети и радоваться красивым огонькам. Но есть неприятная особенность – при изменении оборотов двигателя будет меняться яркость свечения светодиодов в кластерах. Незначительно, но заметно глазу. К тому же, по факту, нормально они светят при напряжении около 12,5в, поэтому если у вас низкое напряжение в бортовой сети, светить кластеры будут тускло. Конструктивно кластер состоит из цепочки светодиодов и резистора. На каждые три светодиода — резистор, который гасит лишнее напряжение. Светодиодная лента устроена точно также, поэтому если вам надо отрезать кусок — посмотрите на ленту, на ней есть места, где ее можно резать. Обычно это те же три светодиода и резистор. Где попало резать нельзя 🙂
2. Включить светодиоды последовательно, цепочкой, то есть сделать самодельный кластер. То есть сцепить нужное количество между собой, а оставшиеся два вывода – к бортовой сети. Оговоримся, что речь идет о белых светодиодах. У светодиодов разного цвета напряжение разное. Нетрудно подсчитать, что для 12-14 в понадобится 3 светодиода. В сумме они дадут 3,5х3=10,5 в. Как говорилось выше, у светодиода есть плюс и минус. Соединение последовательно – это когда плюс одного соединяется с минусом следующего и так далее до конца цепочки.
Но напрямую их подключать все еще нельзя, нужно последовательно с вашей цепочкой включить гасящий лишнее напряжение резистор (сопротивление) — номиналом примерно 100-150 Ом, мощностью 0,5 Вт. Резисторы продаются в любом магазине для радиолюбителей.
Этот способ страдает тем же недостатком, что и предыдущий – изменением интенсивности свечения светодиодов при изменении оборотов. Небольшим, но неприятным. Тем не менее, пользуясь этой схемой вы можете подключить любое количество светодиодов, собирая их цепочками по 3 шт. с резистором и включая параллельно. Параллельно — это значит собрать несколько одинаковых цепочек, плюс каждой цепочки соединить с плюсом другой цепочки, минус — с минусом. Вообще, номинал резистора вычисляется по закону Ома. Но если вы не в ладах с формулами, применяйте простое правило: если включаете 1 светодиод — резистор нужен 500 Ом, если два — 300 Ом, три светодиода — 150 Ом. При этом дальше можете не читать. 🙂 Но потратив полчаса на изучение простой формулы, вы научитесь правильно подбирать значения резисторов, а значит ваши светодиоды будут светить долго и правильно. Могу заверить, что не нужно быть академиком, постараюсь разьяснить подробно и понятно. Вам понадобятся :
1. Прибор-измеритель напряжения, тока и сопротивления, в простонародье «Цешка» или «Мультиметр». Продается в магазинах радиолюбителей, электротоваров и на китайских рынках. Стоит от 50 рублей. Рекомендую купить цифровой, с ним понятнее. Этой штукой вы сможете произвести все нужные измерения, если, конечно, изучите инструкцию или статью «Мультиметр для «чайников».
2. Закон Ома для участка электрической цепи, то есть для вашего светодиода и резистора. R=U/I . Где R — сопротивление резистора, U — напряжение, которое нужно погасить, I — ток в цепи. То есть, чтобы получить сопротивление гасящего резистора, нужно разделить напряжение, которое нужно погасить, на ток, который нужно получить.
Рассмотрим пример. У нас есть простой белый светодиод, который нам нужно подключить к бортовой сети автомобиля. Напряжение питания такого светодиода приблизительно 3,5 в, ток — 20 мА.
1. Замеряем напряжение в той точке, к которой мы собираемся подключить светодиод. Дело в том, что напряжение в бортовой сети разное. На аккумуляторе может быть 13 вольт, а на прикуривателе — 13,5 и т.д. Поэтому определитесь заранее, куда будете подключать. Включите прибор в режим измерения напряжения и произведите замер. Допустим, это 13 в. Запишите на бумажке.
2. Вычитаем из 13в напряжение питания светодиода (3,5в). Получаем 9,5 в. Ток в формулу подставляется в амперах, в одном ампере 1000 миллиампер, то есть в нашем случае 20 мА — 0,02 А. Пользуясь формулой вычисляем сопротивление :
Чтобы резистор при работе не грелся, вычисляем его мощность. Для этого надо умножить напряжение, которое гасит резистор — 9,5 вольт, на ток, который через него проходит — 0,02 ампера. 9,5х0,02= 0,19 ватт. Лучше брать резистор с запасом — 0,5-1 ватт.
То есть нам нужно сказать продавцу в магазине радиотоваров «Мне нужен резистор 475 Ом 0,5 или один ватт.». Можно использовать номинал и побольше, только светить светодиоды будут тусклее. Поменьше — будет ярче, но ему это может не понравиться.
Купив искомое, подключаем и радуемся 🙂 Чтобы уж окончательно убедиться в правильности расчетов, можете померять ток в цепи. Для этого нужно включить мультиметр в режиме измерения тока (см. инструкцию к прибору) в разрыв между резистором и светодиодом. Если инструкция потеряна — не беда. Установите диск на метку «10А», и переключите красный щуп в гнездо с подписью «10А».
Он должен показать 20 миллиампер или меньше. У резисторов и светодиодов есть разброс параметров, поэтому ток может отличаться в обе стороны, но незначительно. Если значение от 15 до 23 мА — нормально. Чем больше ток, тем ярче светит светодиод, но тем меньше срок его службы. Поэтому для обычных светодиодов не рекомендуют устанавливать ток выше 20 мА, оптимально — 18мА. Самый лучший способ подбора нужного сопротивления — использовать переменный резистор. Но это уже сложнее 🙂
Вышеприведенная информация позволит произвести подключение любого количества маломощных и мощных светодиодов, достаточно знать их рабочие напряжение и ток и подставлять их в формулу.
Очень полезно бывает подключить параллельно светодиоду обычный диод любого типа в обратной полярности, то есть катодом диода к аноду светодиода. Это защитит ваш светодиод от напряжения обратной полярности. Особенно это актуально для отечественных автомобилей почтенного возраста.
Для самых пытливых 🙂 — первый светодиодный драйвер для авто
Дальнейшая информация служит для продвинутых любителей, которые закон Ома уже освоили. Нет предела совершенству, и вам уже мало просто зажечь светодиоды — хочется, чтобы они светили равномерно, не завися от оборотов двигателя.
Самое правильное включение светодиодов – через стабилизатор тока. Светодиод — это полупроводниковый прибор, который питается током, а не напряжением. Поэтому, если вы стабилизируете и ограничите ток, протекающий через него, то можете подключить хоть киловольт, светодиод будет светить нормально. А от режима работы зависит как долго светодиод будет светить не теряя яркости. Для стабилизации тока используются приборы, называемые драйверами. Простейший драйвер — схема на микросхеме-стабилизаторе LM317. Главное достоинство этой микросхемы для начинающих — ее очень трудно спалить 🙂
Испугались ? Ничего 🙂 В сущности, требуются две детали — сама микросхема — трехвыводной стабилизатор напряжения, который мы включим в режим стабилизации тока, и резистор. Чтобы не вдаваться в теорию, действия следующие — приобретаем переменный резистор сопротивлением 0,5 кОм. Это такая штуковина с тремя выводами и крутилкой. Как и микросхема, он продается все в том же «Радиолюбителе» за смешные деньги. Можно и вовсе выковырять из ненужного бытового прибора. Припаиваем провода к среднему выводу и одному из крайних, неважно какому. Включаем мультиметр в режим измерения сопротивления. Подключаем к проводам прибор и замеряем сопротивление резистора. Вращением стержня добиваемся максимального показания, то есть 500 Ом (или около того). Это чтобы не сжечь светодиод при слишком низком сопротивлении резистора.
Собираем цепь. Внимание! Внимательно проверьте правильность соединений перед подключением ? Проверили ? Точно ?
Прибор включаем в режим измерения тока. Вращением движка переменного резистора добиваемся показаний прибора 20 мА. Отключаем цепь, замеряем сопротивление резистора и впаиваем вместо него обычный резистор с таким же сопротивлением. Вуаля! Вы только что собрали свой первый светодиодный драйвер 🙂 Он имеет ограничение по максимальному току в пределах 1-1,5 А, поэтому при подключении большого количества светодиодов : во первых, используйте резистор большей мощности. Во-вторых, потрогайте микросхему. Если горячая — имеет смысл прикрепить ее к радиатору. Не забывайте, что корпус авто имеет электрический контакт с «минусом» аккумулятора, а подложка микросхемы (корпус) — со своей второй ножкой. Поэтому крепить ее на кузов без изолирующей прокладки — плохая идея. Еще один нюанс — сама микросхема снижает максимальное напряжение, которое можно подать на светодиод, на два-три вольта. Поэтому больше 11-12 вольт вы при таком драйвере не получите. Но зато он простой и первое представление о правильном подключении светодиодов в авто вам даст 🙂 К слову сказать, на этой же микросхеме + пара деталей можно собрать регулируемый блок питания 1,5-30 в., что бывает очень полезно в автомобиле. Схем включения в интернете множество.
В общем, если у вас все получилось — добро пожаловать в увлекательный мир радиоэлектроники, ведь вряд ли вы теперь остановитесь.
(с) Юрий Рубан, led22.ru. Вопросы и критика приветствуются в разделе «Светодиоды в авто» на форуме «Светлый угол»
