LEDIKO | Zasilanie diod LED

Spis treści:

Od autora

1. Elektroluminescencja
2. Diody elektroluminescencyjne - rys historyczny
3. Sposoby wytwarzania białych diod LED
4. Obecne i przyszłe parametry diod LED
5. Zasilanie diod LED
6. Optyka diod LED
7. Zarządzanie ciepłem (chłodzenie diod LED)

Część 5. Zasilanie i sterowanie lamp LED

Diody LED standardowo zasilane są prądem stałym. Napięcie należy do diody przykładać tak, aby pracowała ona w kierunku przewodzenia (napięcie dodatnie do anody i napięcie ujemne do katody). W zależności od szerokości przerwy energetycznej w półprzewodniku, a co za tym idzie w zależności od długości emitowanej fali świetlnej, wymagane są różne poziomy napięcia zasilającego (rys. 1). Ogólnie, im większa energia emitowanych fotonów tym większe jest wymagane napięcie zasilające dla znamionowej pracy. Znamionowe napięcie zasilające diodę LED jest to takie, przy którym przez chip płynie znamionowy prąd. Dodatkowo o wartości napięcia zasilania pojedynczej diody decyduje rezystancja szeregowa chipu diody. Dlatego najczęściej znamionowe napięcie zasilające diod LED dostępnych na rynku jest większe o od kilku do kilkudziesięciu procent od napięcia przewodzenia idealnej diody nie posiadającej rezystancji szeregowej (por. rys. 1).

Rys. 1. Zależność napięcia przewodzenia diod LED przy nominalnym prądzie przewodzenia od szerokości przerwy energetycznej Eg dla diod LED emitujących od podczerwieni po ultrafiolet.
(źródło: Fred Schubert, "Light Emitting Diodes and Solid-State Lighting", prezentacja)

Kolejnym czynnikiem wymagającym rozważenia przy zasilaniu diod LED jest zależność napięcia przewodzenia diody od temperatury otoczenia. Ze wzrostem temperatury zmniejsza się wartość napięcia, przy którym dioda LED przewodzi. Ze względu na kształt charakterystyki prądowo- napięciowej diody LED oraz zmiany napięcia przewodzenia w zależności od temperatury układ zasilający powinien stanowić stabilne termicznie źródło prądowe. Niewielkie zmiany napięcie zasilającego prowadzą do dużych zmian prądu płynącego przez diodę LED. Stąd ważne jest by prąd diody miał możliwie stałą, bezpieczną wartość. Niedopilnowanie tego zalecenia prowadzi do przegrzewania się diod LED, nieosiągania optymalnego poziomu jasności oraz w konsekwencji do skrócenia czasu życia lampy. W przemyśle elektronicznym źródła prądowe są rzadko stosowane, a o wiele częściej wykorzystywane są źródła napięciowe. Inaczej jest w wypadku zasilaczy przeznaczonych dla lamp LED. Ich technologia wymusza rozwój źródeł prądowych. W zależności od zaawansowania i wymagań stosowane są różne źródła prądowe. Najprostszym rozwiązaniem jest włączenie w szereg z diodą LED rezystora. Napięcie zasilające taki dwójnik powinno być większe niż nominalne napięcie zasilające diodę LED. Na rezystorze odkłada się wówczas napięcie będące różnicą pomiędzy napięciem zasilającym i napięciem przewodzenia diody. Dobierając odpowiednią rezystancję rezystora ustalamy prąd płynący przez układ. Rezystor pełni również rolę kompensacji strumienia świetlnego przy zmianach temperatury otoczenia. Wadą jest to, że tego typu źródła prądowe obniżają sprawność całej oprawy LED w wyniku strat mocy w rezystorach. Prostota tego rozwiązania sprawia jednak, że jest ono często stosowane. W przypadku matryc diod LED składających się z większej ilości emiterów połączonych ze sobą szeregowo-równolegle stosuje się 3 podstawowe sposoby stabilizacji prądu za pomocą rezystorów: ekonomiczny, podstawowy i bezpieczny.

Rys. 2. Sposoby łączenia rezystorów i diod LED w matryce – a) układ ekonomiczny; b) układ podstawowy; c) układ bezpieczny

(źródło: LEDIKO)

Układ ekonomiczny cechuje najniższa cena oraz prostota układu (rys. 2a). W przypadku awarii jednej diody pozostałe dalej świecą. Wadą tego układu jest możliwość wystąpienia nierównomiernego rozpływu prądu przez poszczególne diody LED. W przypadku awarii jednej diody pozostałe diody będące połączone z nią równolegle zostają przesterowane większym prądem. Awaria pojedynczej diody jest trudna do wykrycia (metodami elektronicznymi) ze względu na małą zmianę prądu płynącego przez matrycę LED.

Układ podstawowy szeregowo równoległy cechuje umiarkowana cena i stosunkowo prosta budowa układu (rys. 2b). Prąd każdej z gałęzi może być dokładnie określony odpowiednim rezystorem. Awaria diody LED w jednej gałęzi nie ma wpływu na prąd płynący przez pozostałe gałęzie matrycy. Na dodatek awaria ta jest łatwo wykrywalna ze względu na stosunkowo dużą zmianę prądu płynącego przez matrycę. Dużą wadą tego układu jest to, że w przypadku awarii jednej diody w gałęzi pozostałe diody połączone z nią szeregowo również przestają świecić.

Układ bezpieczny cechuje najwyższa cena i skompilowany układ (rys. 2c). W układzie tym każda dioda ma rezystor zabezpieczający i ustalający prąd. W przypadku awarii jednej diody pozostałe diody działają. Diody połączone równolegle z diodą uszkodzoną są przesterowane. Gdy diod połączonych równolegle jest dużo to, przesterowanie to nie ma znaczącego wpływu na ich niezawodność. Podobnie jak w przypadku układu ekonomicznego trudność sprawia detekcja awarii.

W prostych zastosowaniach wykorzystujących standardowe diody LED o prądzie zasilania 20mA, nie narażonych na trudne warunki pracy (otoczenie) i o niezbyt dużych wymaganiach, co do parametrów optycznych powyższe 3 rodzaje układów zasilania są wystarczające. Jednak dla zastosowań bardziej zaawansowanych, wykorzystujących diody LED dużych mocy i mających wytrzymać długi okres pracy konieczne jest stosowanie bardziej zaawansowanych źródeł prądowych. Diody LED o wysokiej światłości są sterowane prądami od kilkuset miliamperów do 1,5A. Produkowane są również matryce LED zasilane prądami przekraczającymi 15A. Producenci diod dużych mocy zalecają nie przekraczanie nominalnych prądów. Nie stosowanie się do tych zaleceń prowadzi do dużo szybszej degradacji chipu diody, obniżania się strumienia świetlnego, a w konsekwencji znaczącego skrócenia czasu życia. Konieczne, więc staje się stosowanie stabilnych termicznie źródeł prądowych, zapewniających stały poziom prądu bez względu na zmiany wartości napięcia wejściowego. Takimi parametrami charakteryzują się tranzystorowe źródła prądowe (bipolarne i polowe), źródła prądowe ze wzmacniaczem operacyjnym, źródła prądowe ze stabilizatorami napięcia oraz tzw. LED drivers, czyli specjalne układy scalone przeznaczane do zasilania diod LED. Oferowane są również na rynku gotowe zasilacze dla diod LED mocy o stałym prądzie na wyjściu . Sprawność układu zasilającego lampę LED wlicza się do ogólnego rachunku sprawności oprawy oświetleniowej. Dlatego bardzo ważne jest by układ zasilający do diod LED miał możliwie dużą sprawność i niezawodność.

Lampy LED poza standardowymi w oświetleniu opcjami włącz - wyłącz pozwalają również na elastyczne i stosunkowo proste regulowanie jasnością. Otwiera to przed techniką oświetleniową nowe możliwości. Funkcja ściemniania i rozjaśniania źródeł światła jest podstawą w budowaniu nastroju w pomieszczeniach, w regulacji barwy i temperatury światła oraz w zarządzaniu energią użytkowaną przez oświetlenie w budynkach i systemach inteligentnych. Trzeba zauważyć, że na skutek nieliniowości ludzkiego oka dla sprawienia wrażenia liniowej zmiany poziomu jasności od 0 do 100% należy stosować również nieliniową zmianę jasności. Przy niższych poziomach natężenia oświetlenia oko ludzkie rozszerza źrenicę, przez co zwiększa się jego zdolność detekcji i wrażenie wzrokowe jest większe niż rzeczywisty poziom oświetlenia. Przykładowo gdy miernik mierzy 1% ilości światła to oko widzi 10%. Krzywą opisującą tą zależność nazywa się kwadratowym prawem ściemniania i przedstawiono ją na rys. 3a.

Funkcje ściemniania i rozjaśniania realizowane dotychczas z klasycznymi źródłami światła są drogie, trudne w realizacji lub nie efektywne. Ściemniane żarówki pracują z niższą wydajnością świetlną, gdyż włókno wolframowe rozgrzewa się do niższych temperatur i widmo promieniowania przesuwa się w kierunku podczerwieni. Tzw. ściemniacze dla świateł żarowych są również stosunkowo drogie (minimum kilkadziesiąt złotych). Ściemniane lampy fluoroscencyjne wymagają skomplikowanych układów elektrycznych, które w konsekwencji także znacząco podnoszą cenę i zawodność lampy. Dopiero w ostatnich latach pojawiły się sterowniki jasności lamp fluoroscencyjnych oferujące ściemnianie wg kwadratowego prawa jasności (np. sterownik DALI).

Rys. 3. Nieliniowość postrzegania jasności przez ludzkie oko – a) krzywa ilustrująca kwadratowe prawo ściemniania; b) liniowa regulacja jasności za pomocą współczynnika wypełniania impulsu prostokątnego

Jasnością diod LED można sterować na 3 podstawowe sposoby:

regulacja prądu diody,
regulacja współczynnika wypełnienia impulsu prostokątnego,
regulacja wysokości piku przy zasilaniu impulsowym o wypełnieniu 1/10.

Regulacja prądu diody LED jest najłatwiejszym sposobem zmiany jasności opraw oświetleniowych z diodami LED. Jest to analogowa metoda sterowania i do jej realizacji w najprostszym wypadku potrzeba jedynie potencjometru. Umieszczony w miejsce rezystora ustalającego prąd diody potencjometr staje się regulatorem jasności. Jeżeli diody są wysterowane z tranzystorowego źródła prądowego, to wówczas potencjometr można umieścić w miejsce rezystora ustalającego prąd bazy (bramki). Dzięki temu moc wydzielająca się w potencjometrze będzie mniejsza niż w przypadku, gdy jest on włączony w szereg z diodą lub diodami, a efekt sterowania jasnością będzie ten sam. Wadą jest konieczność ręcznego ustawiania potencjometru. W przypadku cyfrowego sygnału sterującego można wykorzystać potencjometry cyfrowe lub inne przetworniki cyfrowo analogowe. Wówczas metoda ta staje się bardziej elastyczna i możliwe stają się różne dynamiczne efekty świetlne. Zależność jasności diody LED od płynącego przez nią prądu przedstawiono na rysunku 4a. Zależność ta jest w przybliżeniu liniowa. W przypadku, gdy chcemy uzyskać krzywą ściemniania zgodną z charakterystyką ludzkiego oka, problem mogą jednak sprawiać jednak pewne nieliniowości tej charakterystyki. Na dodatek nieliniowość ta jest różna dla diod emitujących różne długości fali i wyprodukowanych poprzez różnych producentów.

Rys. 4. Zależność jasności diody LED od czynnika sterującego – a) prądu diody (na podstawie katalogu firmy Toyoda Gosei); b) współczynnika wypełnienia impulsu prostokątnego (PWM)

Regulacja współczynnika wypełnienia impulsu prostokątnego (PWM) (ang. Pulse Width Modulation) nie nastręcza tylu trudności, co metoda polegająca na regulacji prądu. Jest to metoda cyfrowa wykorzystująca bezwładność ludzkiego oka. Diody LED są sterowane sygnałem prostokątnym o regulowanym czasie włączenia i o częstotliwości, powyżej której oko nie zauważa migotania. Przy częstotliwościach powyżej 60Hz (zalecam jednak, co najmniej 300Hz) w oku ludzkim zachodzi sumowanie wrażenia wzrokowego powstałego w obu częściach okresu, gdy dioda jest włączona i wyłączona. Jasność tak sterowanej diody LED jest wprost proporcjonalna do wartości współczynnika wypełnienia impulsu, czyli długości czasu włączenie odniesionej do długości okresu impulsu prostokątnego. Zależność tą przedstawiono na rysunku 4b. W części okresu, gdy dioda jest włączona, jest ona zasilana nominalnym napięciem i powinien przez nią płynąć nominalny prąd. Sterownie PWM pozwala na uzyskanie dokładnie liniowej charakterystyki jasności względnej. Na dodatek charakterystyka ta jest liniowa niezależnie od długości fali emitowanej przez diodę, typu diody i jej producenta. W konsekwencji cyfrowy układ sterujący jasnością diod LED PWM jest uniwersalny i nie wymaga uprzedniej znajomości rodzaju emiterów. Nie stanowi też żadnego problemu dopasowanie zmian jasności do charakterystyki ludzkiego oka, wystarczy zaprogramować odpowiedni układ sterujący, aby regulował jasnością wg krzywej z rys. 3b. Lampy LED będące z natury urządzeniami elektronicznymi, a nie elektrycznymi o wiele łatwiej dają się sterować cyfrowo. Do realizacji przygaszania stosuje się mikroprocesory (lub inne układy cyfrowe realizujące funkcję PWM), które są źródłem sygnału sterującego dla źródła prądowego zasilającego diody LED. Źródło prądowe dla diod LED sterowane PWM powinno charakteryzować się możliwością kluczowania prądu z możliwie dużą częstotliwością, a zwłaszcza z odpowiednio szybkim czasem narostu i opadania impulsu prostokątnego. W praktyce częstotliwość ta powinna wynosić, co najmniej 300Hz. Dużą zaletą impulsowego sterowania jasnością diod LED jest wydłużenie się czasu życia diod i tym samym wzrost niezawodności lamp LED. Wadą układów z regulacją PWM jest możliwość wystąpienia zakłóceń elektromagnetycznych EMC wywoływanych kluczowaniem prądów o stosunkowo dużych wartościach.

Regulacja wysokości piku przy zasilaniu impulsowym. W metodzie tej wykorzystywana jest możliwość wysterowania z dużą częstotliwością (od kilku kHz) diod LED krótkotrwałymi impulsami prądu (np. 10% wypełnienia okresu) o wartościach przekraczających kilkukrotnie nominalną wartość prądu diody (na ogół 4 - 6 krotnie). Dioda tak zasilana w momencie otrzymania impulsu prądowego świeci z kilkukrotnie większą intensywnością niż dioda zasilana standardowo. Ze względu na dużą częstotliwość impulsów oko dokonuje sumowania i pomimo pracy impulsowej otrzymujemy pozorny efekt stałego świecenia. Metoda sterowania jasnością w tym przypadku jest niejako połączeniem dwóch poprzednich metod. Jasność reguluje się poprzez zmianę wysokości piku prądu, natomiast sama praca diody jest impulsowa, co ma w konsekwencji przełożenie na wydłużenie się czasu życia diod LED. Warunek w tej metodzie jest taki, aby całkowita ilość energii, która wydzieli się w diodzie w czasie jednego okresu była porównywalna do lub mniejsza od wartości energii wydzielającej się w tym samym odcinku czasu przy pracy stałoprądowej. W innym wypadku dioda będzie się przegrzewać. Ze względu na duże gęstości prądu płynącego przez diodę w impulsie metoda sterowania impulsowego nie jest zalecana dla diod LED mocy (1W i wzwyż). Duży prąd impulsu w przypadku diod mocy może doprowadzić do uszkodzenia połączenia chipu diody z elektrodami. Metoda ta wymaga zastosowania specjalnych układów generujących impulsy prądu. Układ można samemu zaprojektować lub można skorzystać z gotowych układów scalonych realizujących taką funkcję. Układy takie znajdują się w ofercie kilku producentów układów scalonych.

Na sam koniec chciałbym zapoznać Państwa z bardzo prostym i niezawodnym układem źródła prądowego, które świetnie nadaje się do zasilania diod LED w wielu zastosowaniach. Układ opiera się o wykorzystanie zaledwie 2 elementów: stabilizatora napięcia z serii LM317 oraz rezystora regulującego prąd. Posłużę się przykładem w celu wyjaśnienia tego zagadnienia. Mamy do podłączenia szeregowo 5 białych diod Pirania. Z układem LM317 diody łączymy w sposób przedstawiony na rysunku 5.

Rys. 5. Prosty i niezawodny układ źródła prądowego do zasilania diod LED

(źródło: LEDIKO)

Wartość rezystora regulującego prąd wyjściowy (płynący przez diody LED) obliczamy z wzoru:

R=1,2 / ILED.

Napięcie zasilania takiego układu, to suma napięć wszystkich diod LED + minimum 3V na układ LM317. Koniec. Na układzie LM317 może odkładać się również większe napięcie, ale zawsze będzie on miał na wyjściu stały prąd ustalony przez rezystor. Ta właściwość pozwala na stosowanie zasilaczy z niestabilizowanym napięciem wyjściowym. W szeregu z rezystorem R1 można wstawić potencjometr (o odpowiednim prądzie maksymalnym), co pozwoli na regulację jasności. Teoretycznie układ LM317 w zależności od wersji pozwala na zasilanie diod LED prądem od pojedynczych mA po 1,5A. Można stosować połączenia równoległe kilku układów w celu zwiększenia maksymalnego prądu wyjściowego. Układ nadaje się również do zasilania diod LED połączonych w matryce (por. rys. 2).

Polecam zapoznanie się ze specyfikacjami układu LM317 dostępnymi w Internecie oraz przetestowanie go w Państwa produktach. Życzę samych udanych prób i zapraszam do kontaktu, gdyby Państwa projekt wymagał bardziej zaawansowanego rozwiązań. Z przyjemnością odpowiem na każde pytanie dotyczące zasilania diod LED.