Circuits de commande LED haute puissance

LED haute puissance: l'avenir de l'éclairage!

mais ... comment les utilisez-vous? Où les trouvez vous?

Les LED d'alimentation 1 watts et 3 watts sont maintenant largement disponibles dans la gamme de 3 $ à 5 $, donc j'ai travaillé récemment sur un tas de projets qui les utilisent. dans le processus, je me suis fâché que les seules options dont on parle pour piloter les LED sont: (1) une résistance, ou (2) un gadget électronique très cher. maintenant que les LED coûtent 3 $, il ne faut pas payer 20 $ pour que l'appareil les conduise!

Je suis donc retourné à mon livre "Analog Circuits 101" et j'ai trouvé quelques circuits simples pour piloter des LED de puissance qui ne coûtaient que 1 $ ou 2 $.

Cet instructable vous donnera un coup par coup de tous les différents types de circuits pour alimenter les grosses LED, des résistances aux alimentations de commutation, avec quelques conseils sur chacun d'eux, et bien sûr, donnera beaucoup de détails sur ma nouvelle puissance simple Circuits de pilotes LED et quand / comment les utiliser (et j'ai jusqu'à présent 3 autres instructables qui utilisent ces circuits). Certaines de ces informations finissent également par être très utiles pour les petites LED

voici mes autres instructables LED d'alimentation, consultez-les pour d'autres notes et idées

Cet article vous est présenté par MonkeyLectric et la lumière de vélo Monkey Light.

Étape 1: Présentation / Pièces

Il existe plusieurs méthodes courantes pour alimenter les LED. Pourquoi tout ce tapage? Cela se résume à ceci:
1) Les LED sont très sensibles à la tension utilisée pour les alimenter (c'est-à-dire que le courant change beaucoup avec un petit changement de tension)
2) La tension requise change un peu lorsque la LED est placée dans de l'air chaud ou froid, et également en fonction de la couleur de la LED et des détails de fabrication.

il y a donc plusieurs façons courantes dont les LED sont généralement alimentées, et je vais les parcourir chacune dans les étapes suivantes.


les pièces

Ce projet montre plusieurs circuits pour piloter des LED de puissance. pour chacun des circuits, j'ai noté à l'étape pertinente les pièces nécessaires, y compris les numéros de pièce que vous pouvez trouver sur www.digikey.com. afin d'éviter la multiplication des contenus, ce projet ne traite que de circuits spécifiques et de leurs avantages et inconvénients. pour en savoir plus sur les techniques d'assemblage et pour trouver les numéros de pièces des LED et où les obtenir (et d'autres sujets), veuillez vous reporter à l'un de mes autres projets de LED d'alimentation.

Étape 2: Données de performance des DEL d'alimentation - Tableau de référence pratique

Vous trouverez ci-dessous quelques paramètres de base des LED Luxeon que vous utiliserez pour de nombreux circuits. J'utilise les chiffres de ce tableau dans plusieurs projets, alors ici je les mets tous en un seul endroit que je peux facilement référencer.

Luxeon 1 et 3 sans courant (point d'arrêt):
blanc / bleu / vert / cyan: chute de 2, 4 V (= "tension directe des LED")
rouge / orange / ambre: chute de 1, 8 V

Luxeon-1 avec courant 300mA:
blanc / bleu / vert / cyan: chute de 3, 3 V (= "tension directe LED")
rouge / orange / ambre: baisse de 2, 7 V

Luxeon-1 avec un courant de 800mA (sur spécifications):
toutes les couleurs: chute de 3, 8 V

Luxeon-3 avec un courant de 300mA:
blanc / bleu / vert / cyan: chute de 3, 3 V
rouge / orange / ambre: chute de 2, 5 V

Luxeon-3 avec un courant de 800mA:
blanc / bleu / vert / cyan: chute de 3, 8 V
rouge / orange / ambre: baisse de 3, 0 V (note: mes tests ne sont pas d'accord avec la fiche technique)

Luxeon-3 avec courant 1200mA:
rouge / orange / ambre: chute de 3, 3 V (note: mes tests ne sont pas d'accord avec la fiche technique)

Les valeurs typiques pour les "petites" LED régulières avec 20mA sont:
rouge / orange / jaune: chute de 2, 0 V
vert / cyan / bleu / violet / blanc: chute de 3, 5 V

Étape 3: alimentation directe!

Pourquoi ne pas simplement connecter votre batterie directement à la LED? Cela semble si simple! Quel est le problème? Puis-je jamais le faire?

Le problème est la fiabilité, la cohérence et la robustesse. Comme mentionné, le courant à travers une LED est très sensible aux petits changements de tension aux bornes de la LED, ainsi qu'à la température ambiante de la LED, ainsi qu'aux variations de fabrication de la LED. Ainsi, lorsque vous connectez simplement votre LED à une batterie, vous avez une petite idée de la quantité de courant qui la traverse. "mais alors quoi, ça s'est éclairé, non?". OK, bien sûr. selon la batterie, vous pourriez avoir beaucoup trop de courant (la led devient très chaude et brûle rapidement), ou trop peu (la led est faible). l'autre problème est que même si la led est juste au moment où vous la connectez pour la première fois, si vous l'emmenez dans un nouvel environnement qui est plus chaud ou plus froid, elle deviendra soit sombre, soit trop lumineuse et brûlera, car la led est très température sensible. les variations de fabrication peuvent également entraîner une variabilité.

Alors peut-être que vous avez lu tout cela et que vous pensez: "et alors!". si c'est le cas, labourez en avant et connectez-vous directement à la batterie. pour certaines applications, cela peut être la voie à suivre.

- Résumé: utilisez-le uniquement pour les hacks, ne vous attendez pas à ce qu'il soit fiable ou cohérent, et attendez-vous à brûler certaines LED en cours de route.

- Un célèbre hack qui met cette méthode à un très bon usage est le LED Throwie.

Remarques:

- si vous utilisez une batterie, cette méthode fonctionnera mieux avec des * petites * batteries, car une petite batterie agit comme si elle avait une résistance interne. c'est l'une des raisons pour lesquelles le LED Throwie fonctionne si bien.

- si vous voulez réellement le faire avec une LED d'alimentation plutôt qu'avec une LED 3 cents, choisissez la tension de votre batterie pour que la LED ne soit pas à pleine puissance. c'est l'autre raison pour laquelle le Throwie LED fonctionne si bien.

Étape 4: La résistance humble

C'est de loin la méthode la plus utilisée pour alimenter les LED. Il vous suffit de connecter une résistance en série avec vos LED.

avantages:
- c'est la méthode la plus simple qui fonctionne de manière fiable
- n'a qu'une seule partie
- coûte quelques sous (en fait, moins d'un sou en quantité)

les inconvénients:
- pas très efficace. vous devez comparer la puissance gaspillée contre une luminosité LED cohérente et fiable. si vous gaspillez moins d'énergie dans la résistance, vous obtenez des performances LED moins cohérentes.
- doit changer la résistance pour changer la luminosité de la LED
- si vous modifiez de manière significative l'alimentation ou la tension de la batterie, vous devez à nouveau changer la résistance.



Comment faire:

Il existe de nombreuses pages Web intéressantes qui expliquent déjà cette méthode. En général, vous voulez comprendre:
- quelle valeur de résistance utiliser
- comment connecter vos led en série ou en parallèle

Il y a deux bons "calculateurs LED" que j'ai trouvés qui vous permettront de saisir les spécifications de vos LED et de votre alimentation, et ils concevront le circuit série / parallèle complet et les résistances pour vous!

//led.linear1.org/led.wiz
//metku.net/index.html?sect=view&n=1&path=mods/ledcalc/index_eng

Lorsque vous utilisez ces calculatrices Web, utilisez le tableau de référence pratique des données LED d'alimentation pour les nombres de courant et de tension que la calculatrice vous demande.



si vous utilisez la méthode des résistances avec des LED de puissance, vous voudrez rapidement obtenir beaucoup de résistances de puissance bon marché! voici quelques-uns bon marché de digikey: "Yageo SQP500JB" est une série de résistances de 5 watts.

Étape 5: Régulateurs de sorcellerie

Les régulateurs à découpage, également appelés convertisseurs "DC-to-DC", "buck" ou "boost", sont le moyen idéal pour alimenter une LED. ils font tout, mais ils sont chers. qu'est-ce qu'ils "font" exactement? le régulateur de commutation peut abaisser ("abaisser") ou augmenter ("augmenter") la tension d'entrée de l'alimentation à la tension exacte nécessaire pour alimenter les LED. contrairement à une résistance, il surveille en permanence le courant LED et s'adapte pour le maintenir constant. Il fait tout cela avec une efficacité énergétique de 80 à 95%, quelle que soit la réduction ou l'augmentation.

Avantages:
- performances LED cohérentes pour une large gamme de LED et d'alimentation
- haute efficacité, généralement 80-90% pour les convertisseurs boost et 90-95% pour les convertisseurs buck
- peut alimenter les LED à partir d'alimentations à tension inférieure ou supérieure (élévateur ou abaisseur)
- certaines unités peuvent régler la luminosité des LED
- des unités emballées conçues pour les LED d'alimentation sont disponibles et faciles à utiliser

Les inconvénients:
- complexe et cher: généralement environ 20 $ pour une unité emballée.
- la fabrication de la vôtre nécessite plusieurs pièces et compétences en génie électrique.



Le Buckpuck de LED Dynamics est un appareil standard spécialement conçu pour les LED d'alimentation. J'en ai utilisé un dans mon projet de lampe frontale à commande électrique et j'en ai été très satisfait. ces appareils sont disponibles dans la plupart des magasins Web LED.

Étape 6: Les nouveaux trucs !! Source de courant constant # 1

passons aux nouveautés!

Le premier ensemble de circuits sont tous de petites variations sur une source de courant constant super simple.

Avantages:
- performances LED cohérentes avec n'importe quelle alimentation et LED
- coûte environ 1 $
- seulement 4 pièces simples à connecter
- l'efficacité peut être supérieure à 90% (avec une LED appropriée et une sélection d'alimentation)
- peut gérer BEAUCOUP de puissance, 20 ampères ou plus sans problème.
- faible "décrochage" - la tension d'entrée peut être aussi faible que 0, 6 volts au-dessus de la tension de sortie.
- plage de fonctionnement ultra large: entre 3V et 60V en entrée

Les inconvénients:
- doit changer une résistance pour changer la luminosité des LED
- s'il est mal configuré, il peut gaspiller autant d'énergie que la méthode par résistance
- vous devez le construire vous-même (oh attendez, ça devrait être un 'pro').
- la limite de courant change un peu avec la température ambiante (peut aussi être un «pro»).

Donc, pour résumer: ce circuit fonctionne aussi bien que le régulateur de commutation abaisseur, la seule différence est qu'il ne garantit pas une efficacité de 90%. du côté positif, cela ne coûte que 1 $.


Version la plus simple en premier:

"Source de courant constant à faible coût n ° 1"

Ce circuit est présenté dans mon projet d'éclairage simple à alimentation électrique.

Comment ça marche?

- Q2 (un NFET de puissance) est utilisé comme résistance variable. Q2 démarre activé par R1.

- Q1 (un petit NPN) est utilisé comme interrupteur de détection de surintensité, et R3 est la "résistance de détection" ou "résistance de réglage" qui déclenche Q1 lorsque trop de courant circule.

- Le flux de courant principal passe par les LED, par Q2 et par R3. Lorsque trop de courant passe par R3, Q1 commencera à s'allumer, ce qui commencera à désactiver Q2. La désactivation de Q2 réduit le courant à travers les LED et R3. Nous avons donc créé une "boucle de rétroaction", qui surveille en permanence le courant LED et le maintient exactement au point de consigne à tout moment. les transistors sont intelligents, hein!

- R1 a une résistance élevée, de sorte que lorsque Q1 commence à s'allumer, il dépasse facilement R1.

- Le résultat est que Q2 agit comme une résistance, et sa résistance est toujours parfaitement réglée pour maintenir le courant LED correct. Tout excès de puissance est brûlé au deuxième trimestre. Ainsi, pour une efficacité maximale, nous souhaitons configurer notre chaîne LED afin qu'elle soit proche de la tension d'alimentation. Cela fonctionnera bien si nous ne le faisons pas, nous gaspillerons simplement de l'énergie. c'est vraiment le seul inconvénient de ce circuit par rapport à un régulateur à découpage abaisseur!


réglage du courant!

la valeur de R3 détermine le courant réglé.

Calculs:
- Le courant LED est approximativement égal à: 0, 5 / R3
- Puissance R3: la puissance dissipée par la résistance est d'environ: 0, 25 / R3. choisissez une valeur de résistance d'au moins 2 fois la puissance calculée afin que la résistance ne chauffe pas.

donc pour 700mA courant LED:
R3 = 0, 5 / 0, 7 = 0, 71 ohms. la résistance standard la plus proche est de 0, 75 ohms.
Puissance R3 = 0, 25 / 0, 71 = 0, 35 watts. nous aurons besoin d'au moins une résistance nominale de 1/2 watt.


Pièces utilisées:

R1: petite résistance (1/4 watt) d'environ 100k ohms (telle que: série Yageo CFR-25JB)
R3: grande résistance de réglage de courant (1 watt +). (un bon choix de 2 watts est: Panasonic ERX-2SJR series)
Q2: FET de niveau logique grand canal (boîtier TO-220) (tel que: Fairchild FQP50N06L)
Q1: petit transistor NPN (boîtier TO-92) (tel que: Fairchild 2N5088BU)


Limites maximales:

la seule limite réelle au circuit source de courant est imposée par NFET Q2. Q2 limite le circuit de deux manières:

1) dissipation de puissance. Q2 agit comme une résistance variable, diminuant la tension de l'alimentation pour répondre aux besoins des LED. donc Q2 aura besoin d'un dissipateur thermique s'il y a un courant LED élevé ou si la tension de la source d'alimentation est beaucoup plus élevée que la tension de la chaîne LED. (Puissance Q2 = chute de volts * courant LED). Le Q2 ​​ne peut gérer que 2/3 watts avant d'avoir besoin d'une sorte de dissipateur thermique. avec un grand dissipateur thermique, ce circuit peut gérer beaucoup de puissance et de courant - probablement 50 watts et 20 ampères avec ce transistor exact, mais vous pouvez simplement mettre plusieurs transistors en parallèle pour plus de puissance.

2) tension. la broche "G" sur Q2 est uniquement conçue pour 20V, et avec ce circuit le plus simple qui limitera la tension d'entrée à 20V (disons 18V pour être sûr). si vous utilisez un NFET différent, assurez-vous de vérifier la cote "Vgs".


sensibilité thermique:

le point de consigne actuel est quelque peu sensible à la température. c'est parce que Q1 est le déclencheur et Q1 est thermiquement sensible. la partie nuber i spécifiée ci-dessus est l'un des NPN les moins sensibles thermiquement que j'ai pu trouver. même ainsi, attendez-vous à une réduction de 30% du point de consigne actuel lorsque vous passez de -20 ° C à + 100 ° C. cela peut être un effet souhaité, cela pourrait empêcher votre Q2 ou vos LED de surchauffer.

Étape 7: réglages de source de courant constant: # 2 et # 3

ces légères modifications sur le circuit # 1 corrigent la limitation de tension du premier circuit. nous devons garder la porte NFET (broche G) en dessous de 20V si nous voulons utiliser une source d'alimentation supérieure à 20V. il s'avère que nous voulons également le faire afin de pouvoir interfacer ce circuit avec un microcontrôleur ou un ordinateur.

dans le circuit # 2, j'ai ajouté R2, tandis que dans # 3 j'ai remplacé R2 par Z1, une diode zener.

le circuit n ° 3 est le meilleur, mais j'ai inclus le n ° 2 car c'est un hack rapide si vous n'avez pas la bonne valeur de diode zener.

nous voulons régler la tension de la broche G à environ 5 volts - utilisez une diode zener de 4, 7 ou 5, 1 volts (telle que: 1N4732A ou 1N4733A) - aucune valeur inférieure et Q2 ne pourront pas s'allumer complètement, plus cela ne fonctionnera pas avec la plupart des microcontrôleurs. si votre tension d'entrée est inférieure à 10 V, commutez R1 pour une résistance de 22k ohms, la diode zener ne fonctionne que si 10 uA la traversent.

après cette modification, le circuit gérera 60V avec les pièces répertoriées, et vous pouvez facilement trouver un Q2 à tension plus élevée si nécessaire.

Étape 8: Un petit micro fait toute la différence

Maintenant quoi? connectez-vous à un micro-contrôleur, PWM ou à un ordinateur!

vous avez maintenant une lumière LED haute puissance contrôlée entièrement numérique.

les broches de sortie du micro-contrôleur ne sont généralement conçues que pour 5, 5 V, c'est pourquoi la diode zener est importante.

si votre micro-contrôleur est de 3, 3 V ou moins, vous devez utiliser le circuit n ° 4 et définir la broche de sortie de votre micro-contrôleur sur "collecteur ouvert" - ce qui permet au micro d'abaisser la broche, mais laisse la résistance R1 tirer jusqu'à 5V, ce qui est nécessaire pour allumer complètement Q2.

si votre micro est 5V, vous pouvez utiliser le circuit plus simple # 5, en supprimant Z1, et définir la broche de sortie du micro pour être en mode pull-up / pull-down normal - le micro 5V peut activer Q2 très bien par lui-même .

maintenant que vous avez un PWM ou un micro connecté, comment faites-vous un contrôle numérique de la lumière? pour changer la luminosité de votre lumière, vous la "PWM": vous la clignotez rapidement et en allumant (200 Hz est une bonne vitesse), et changez le rapport entre le temps de marche et le temps d'arrêt.

cela peut être fait avec seulement quelques lignes de code dans un micro-contrôleur. pour le faire en utilisant juste une puce '555', essayez ce circuit. d'utiliser ce circuit se débarrasser de M1, D3 et R2, et leur Q1 est notre Q2.

Étape 9: Une autre méthode de gradation

ok, alors peut-être que vous ne voulez pas utiliser un microcontrôleur? voici une autre modification simple sur "circuit # 1"

la manière la plus simple d'atténuer les LED est de modifier le point de consigne actuel. nous allons donc changer R3!

ci-dessous, j'ai ajouté R4 et un commutateur en parallèle avec R3. donc avec l'interrupteur ouvert, le courant est réglé par R3, avec l'interrupteur fermé, le courant est réglé par la nouvelle valeur de R3 en parallèle avec R4 - plus de courant. alors maintenant, nous avons "haute puissance" et "faible puissance" - parfait pour une lampe de poche.

peut-être aimeriez-vous mettre un cadran à résistance variable pour R3? malheureusement, ils ne les font pas avec une valeur de résistance aussi faible, nous avons donc besoin de quelque chose d'un peu plus compliqué pour le faire.

(voir circuit # 1 pour savoir comment choisir les valeurs des composants)

Étape 10: Le pilote réglable analogique

Ce circuit vous permet d'avoir une luminosité réglable, mais sans utiliser de microcontrôleur. C'est entièrement analogique! cela coûte un peu plus - environ 2 $ ou 2, 50 $ au total - j'espère que cela ne vous dérange pas.

La principale différence est que le NFET est remplacé par un régulateur de tension. le régulateur de tension abaisse la tension d'entrée un peu comme le NFET, mais il est conçu pour que sa tension de sortie soit réglée par le rapport entre deux résistances (R2 + R4 et R1).

Le circuit de limitation de courant fonctionne de la même manière qu'auparavant, dans ce cas, il réduit la résistance aux bornes de R2, abaissant la sortie du régulateur de tension.

Ce circuit vous permet de régler la tension des LED sur n'importe quelle valeur à l'aide d'un cadran ou d'un curseur, mais il limite également le courant des LED comme auparavant, vous ne pouvez donc pas tourner le cadran au-delà du point de sécurité.

J'ai utilisé ce circuit dans mon projet d'éclairage RGB / Room Controlled Room.

veuillez consulter le projet ci-dessus pour les références et la sélection de la valeur de résistance.

ce circuit peut fonctionner avec une tension d'entrée de 5V à 28V, et jusqu'à 5 ampères de courant (avec un dissipateur thermique sur le régulateur)

Étape 11: Une source de courant * encore plus simple *

ok, il s'avère qu'il existe un moyen encore plus simple de créer une source à courant constant. la raison pour laquelle je ne l'ai pas mis en premier est qu'il a aussi au moins un inconvénient important.

Celui-ci n'utilise pas de transistor NFET ou NPN, il n'a qu'un seul régulateur de tension.

Par rapport à la précédente "source de courant simple" utilisant deux transistors, ce circuit présente:

- encore moins de pièces.
- "abandon" beaucoup plus élevé de 2, 4 V, ce qui réduira considérablement l'efficacité lors de l'alimentation d'une seule LED. si vous alimentez une chaîne de 5 LED, ce n'est peut-être pas si grave.
- pas de changement du point de consigne actuel lorsque la température change
- moins de capacité actuelle (5 ampères - encore assez pour beaucoup de LED)


comment l'utiliser:

la résistance R3 règle le courant. la formule est la suivante: courant LED en ampères = 1, 25 / R3

donc pour un courant de 550mA, réglez R3 sur 2, 2 ohms
vous aurez généralement besoin d'une résistance de puissance, puissance R3 en watts = 1, 56 / R3

ce circuit présente également l'inconvénient que la seule façon de l'utiliser avec un microcontrôleur ou PWM est de mettre le tout sous et hors tension avec un FET de puissance.

et la seule façon de changer la luminosité de la LED est de changer R3, donc référez-vous au schéma précédent pour le "circuit # 5" qui montre l'ajout d'un interrupteur basse / haute puissance.

brochage du régulateur:
ADJ = broche 1
OUT = broche 2
IN = broche 3


les pièces:
régulateur: LD1585CV ou LM1084IT-ADJ
condensateur: 10u à 100u condensateur, 6, 3 volts ou plus (comme: Panasonic ECA-1VHG470)
résistance: une résistance de 2 watts minimum (comme: Panasonic ERX-2J series)

vous pouvez le construire avec à peu près n'importe quel régulateur de tension linéaire, les deux énumérés ont une bonne performance générale et un bon prix. le classique "LM317" est bon marché, mais le décrochage est encore plus élevé - 3, 5 volts au total dans ce mode. il y a maintenant beaucoup de régulateurs à montage en surface avec des décrocheurs ultra-bas pour une utilisation à faible courant, si vous avez besoin d'alimenter 1 LED à partir d'une batterie, ceux-ci peuvent valoir la peine d'être examinés.

Étape 12: Haha! Il existe un moyen encore plus simple!

Je suis gêné de dire que je n'ai pas pensé à cette méthode moi-même, je l'ai appris quand j'ai démonté une lampe de poche qui avait une LED à haute luminosité à l'intérieur.

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Mettez une résistance PTC (alias un "fusible réarmable PTC") en série avec votre LED. sensationnel. n'est pas plus facile que ça.
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D'accord. Bien que simple, cette méthode présente certains inconvénients:

- Votre tension de pilotage ne peut être que légèrement supérieure à la tension "on" de la LED. En effet, les fusibles PTC ne sont pas conçus pour se débarrasser de beaucoup de chaleur, vous devez donc maintenir la tension baissée aux bornes du PTC assez faible. vous pouvez coller votre ptc sur une plaque métallique pour aider un peu.

- Vous ne pourrez pas conduire votre LED à sa puissance maximale. Les fusibles PTC n'ont pas un courant de «déclenchement» très précis. Ils varient généralement d'un facteur 2 par rapport au point de déclenchement nominal. Donc, si vous avez une LED qui a besoin de 500mA et que vous obtenez un PTC évalué à 500mA, vous vous retrouverez avec n'importe où de 500mA à 1000mA - pas sûr pour la LED. Le seul choix sûr de PTC est un peu sous-évalué. Obtenez le PTC 250mA, alors votre pire cas est 500mA que la LED peut gérer.

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Exemple:
Pour une seule LED évaluée à environ 3, 4 V et 500 mA. Connectez en série avec un PTC évalué à environ 250 mA. La tension de conduite doit être d'environ 4, 0 V.

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