D
Dhaitya
Guest
Re: [\>] Самодельные фонари: Расчёты, схемы, модиф
Понимание методов и критериев надёжности питания светоизлучающих диодов.
Данная статья расчитана на участника, не обладающего специальными знаниями электроники, её цель - дать ему понимание правильного питания светодиода (далее - СИД), обеспечивающего длительную и надёжную эксплуатацию.
Из школьного курса физики известно понятие вольт-амперной характеристики, ВАХ, - кривой, задаваемой функцией f=I(U) и описывающей, как ток детали или прибора зависит от напряжения на деталь или прибор поданного.
Из школьного курса физики известно понятие "диод" - полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью.
Из школьного курса физики известно понятие "резистор" - прибор, ВАХ которого представляет собой прямую вида I=U/R.
Из собственнного опыта участника ему известны лампы накаливания. При напряжениях, не превышающих рабочее, ток лампы и её яркость можно регулировать изменением напряжения на ней. Однако и при превышении напряжения на лампе она остаётся работоспособной, хотя её ресурс снижается. Такой режим работы лампы называется перекальным.
СИД представляет собой разновидность диода - стабилитрон. Из этого вытекают две его особенности, резко отличающие его от ламп накаливания:
1. если лампа накаливания при напряжениях, значительно меньших рабочего, будет продолжать светиться, но значительно слабее, то СИД не включится вообще. Это свойство - наличие минимального рабочего напряжения. Это напряжение мы назовём пороговым, Utrh.
2. при превышении напряжением значения Utrh, ток через СИД будет возрастать эспоненциально и своего предельного значения достигнет, повысившись на ~1В.
Третьей особенностью СИД является недопустимость обратных напряжений, т.е. не должно возникать ситуаций, когда к его аноду подключен отрицательный, а к катоду - положительный полюса источника питания.
Рассмотрим следствия из первых двух особенностей, поскольку их неправильное понимание приводит к появлению схем и устройств питания, резко нарушающих необходимые для нормальной работы СИД условия.
Первое требование не нуждается в особых комментариях: чтобы/СИД излучал свет необходимо, чтобы напряжение на его выводах было больше порогового.
Для понимания второго требования обратимся к справочным данным: СИД характеризуется, среди прочих параметров, максимальным рабочим током и максимальным рабочим напряжением. Ни один из этих параметров не должен быть превышен. В параметрах также приводятся ВАХ, графически описывающие зависимость тока СИД от напряжения на нём. Таким образом, можно сделать вывод: если ограничить напряжение на СИД, сделав его меньше максимального, то и ток будет меньше максимального.
Это совершенно неверно.
1. СИД одной партии, даже соседние на ленте приборы, могут иметь различные рабочие напряжения, что обусловлено технологическим разбросом. И если один из них будет достигать предельного тока при напряжении U1, а второй - U2<U1, то будучи подключены к источнику с напряжением U1, 1-й СИД будет работать нормально, а 2-й выйдет из строя за время от десятка часов до нескольких месяцев, так как достаточно, что известно из (2), незначительного повышения напряжения для очень большого повышения тока - в 1.5-2 раза. Из этого можно сделать вывод, что для нормальной работы СИД необходимо и достаточно установить напряжение на нём такое, чтобы ток через него не превышал максимальный.
Это также совершенно неверно.
2. Напряжение, при котором СИД достигнет своего максимального тока тем меньше, чем больше температура СИД. Следовательно, чем больше ток СИД, при стабилизированном напряжении на нём, тем больше СИД разогреется, тем больше возрастёт его ток снова, что приведёт к повышению температуры и новому росту тока. В реальности этот процесс плавный, а не дискретный.
Во время работы СИД нагревается: от 50-и до 90% потребляемой им мощности превращается в тепло. Температура излучающего элемента СИД всегда больше температуры корпуса на 15-50С°, поэтому определить температуру СИД обычными способами нельзя.
Рассмотрим конкретный пример:
СИД: LXHL-DW01.
Пользователь желает собрать универсальный фонарь, где СИД был бы подключен к стабилизированному напряженю 3.3В.
Из документа DS25, стр.6, таблица 4:
Максимальное типовое напряжение: 3.42В, с учётом технологического разброса: от 2.79В до 3.99В.
Максимальный ток при температуре перехода 25С: 350мА
Температурный коэффициент прямого напряжения: -2мВ/С°
ВАХ СИД дана на фиг.3а, стр.10. Экстраполируя ВАХ в уравнение, получаем семейство кривых, описывающих значения тока СИД при разных температурах перехода:
для -10°С: I=0.0000005381e3.842U
для +25°С: I=0.0000007041е3.842U
для +100°С: I=0.000001253e3.842U
Cчитаем токи при U=3.3В:
для -10°С: I=173mA
для +25°С: I=226mA
для +100°С: I=402mA
Т.е. д/ +100°С наблюдается выход за пределы диапазона на 15% и выход за пределы безопасных значений на 35%.
Рассматриваем условия возникновения:
RΘпереход-среда>70°C/Вт при малом радиаторе. Следовательно, при I=402mA, температура перехода составит ~+117°C>+100°C, процесс динамический, он завершится необратимыми потерями характеристик и разрушением диода уже при среде 25°С, т.е. при комнатной температуре воздуха.
Колебания мощности СИД во всём температурном диапазоне составят 232%, что приведёт к существенным изменениям выходного светового потока более чем в 2 раза.
Очевидно, что с учётом технологического разброса максимального прямого напряжения ситуация будет выглядеть много хуже.
Из этого примера следуют 2 вывода:
1. использование мощных СИД без радиатора недопустимо.
2. использование стабилизаторов напряжения без выходного резистора или функции ограничения тока недопустимо.
Возникает вопрос: как пользователю, не имеющему специальной подготовки, понять, используется ли в схеме, особенно сложной, импульсной, ограничение тока, особенно если выходного резистора нет?
Как бы ни была сложна схема, для считывания тока применяются типовые приёмы, распознать которые не составит труда. Самый часто используемый - считывание тока на резисторе, включенном последовательно с СИД - от точки соединения его с СИД в схему должен уходить сигнал. Например, независимо от прочей части конструкци, схема 1 не обеспечивает считывание тока, а схемы 2 и 3 обеспечивают.
Схема 1.
Схема 2.
Схема 3.
Нужно учесть, что большинство распространённых ИМС импульсных источников питания не имеют функции считывания больших токов и обеспечение такой возможности приводит к некоторому увеличению числа компонентов, что, впрочем, является хорошей альтернативой преждевременному выходу СИД из строя.
Понимание методов и критериев надёжности питания светоизлучающих диодов.
Данная статья расчитана на участника, не обладающего специальными знаниями электроники, её цель - дать ему понимание правильного питания светодиода (далее - СИД), обеспечивающего длительную и надёжную эксплуатацию.
Из школьного курса физики известно понятие вольт-амперной характеристики, ВАХ, - кривой, задаваемой функцией f=I(U) и описывающей, как ток детали или прибора зависит от напряжения на деталь или прибор поданного.
Из школьного курса физики известно понятие "диод" - полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью.
Из школьного курса физики известно понятие "резистор" - прибор, ВАХ которого представляет собой прямую вида I=U/R.
Из собственнного опыта участника ему известны лампы накаливания. При напряжениях, не превышающих рабочее, ток лампы и её яркость можно регулировать изменением напряжения на ней. Однако и при превышении напряжения на лампе она остаётся работоспособной, хотя её ресурс снижается. Такой режим работы лампы называется перекальным.
СИД представляет собой разновидность диода - стабилитрон. Из этого вытекают две его особенности, резко отличающие его от ламп накаливания:
1. если лампа накаливания при напряжениях, значительно меньших рабочего, будет продолжать светиться, но значительно слабее, то СИД не включится вообще. Это свойство - наличие минимального рабочего напряжения. Это напряжение мы назовём пороговым, Utrh.
2. при превышении напряжением значения Utrh, ток через СИД будет возрастать эспоненциально и своего предельного значения достигнет, повысившись на ~1В.
Третьей особенностью СИД является недопустимость обратных напряжений, т.е. не должно возникать ситуаций, когда к его аноду подключен отрицательный, а к катоду - положительный полюса источника питания.
Рассмотрим следствия из первых двух особенностей, поскольку их неправильное понимание приводит к появлению схем и устройств питания, резко нарушающих необходимые для нормальной работы СИД условия.
Первое требование не нуждается в особых комментариях: чтобы/СИД излучал свет необходимо, чтобы напряжение на его выводах было больше порогового.
Для понимания второго требования обратимся к справочным данным: СИД характеризуется, среди прочих параметров, максимальным рабочим током и максимальным рабочим напряжением. Ни один из этих параметров не должен быть превышен. В параметрах также приводятся ВАХ, графически описывающие зависимость тока СИД от напряжения на нём. Таким образом, можно сделать вывод: если ограничить напряжение на СИД, сделав его меньше максимального, то и ток будет меньше максимального.
Это совершенно неверно.
1. СИД одной партии, даже соседние на ленте приборы, могут иметь различные рабочие напряжения, что обусловлено технологическим разбросом. И если один из них будет достигать предельного тока при напряжении U1, а второй - U2<U1, то будучи подключены к источнику с напряжением U1, 1-й СИД будет работать нормально, а 2-й выйдет из строя за время от десятка часов до нескольких месяцев, так как достаточно, что известно из (2), незначительного повышения напряжения для очень большого повышения тока - в 1.5-2 раза. Из этого можно сделать вывод, что для нормальной работы СИД необходимо и достаточно установить напряжение на нём такое, чтобы ток через него не превышал максимальный.
Это также совершенно неверно.
2. Напряжение, при котором СИД достигнет своего максимального тока тем меньше, чем больше температура СИД. Следовательно, чем больше ток СИД, при стабилизированном напряжении на нём, тем больше СИД разогреется, тем больше возрастёт его ток снова, что приведёт к повышению температуры и новому росту тока. В реальности этот процесс плавный, а не дискретный.
Во время работы СИД нагревается: от 50-и до 90% потребляемой им мощности превращается в тепло. Температура излучающего элемента СИД всегда больше температуры корпуса на 15-50С°, поэтому определить температуру СИД обычными способами нельзя.
Рассмотрим конкретный пример:
СИД: LXHL-DW01.
Пользователь желает собрать универсальный фонарь, где СИД был бы подключен к стабилизированному напряженю 3.3В.
Из документа DS25, стр.6, таблица 4:
Максимальное типовое напряжение: 3.42В, с учётом технологического разброса: от 2.79В до 3.99В.
Максимальный ток при температуре перехода 25С: 350мА
Температурный коэффициент прямого напряжения: -2мВ/С°
ВАХ СИД дана на фиг.3а, стр.10. Экстраполируя ВАХ в уравнение, получаем семейство кривых, описывающих значения тока СИД при разных температурах перехода:
для -10°С: I=0.0000005381e3.842U
для +25°С: I=0.0000007041е3.842U
для +100°С: I=0.000001253e3.842U
Cчитаем токи при U=3.3В:
для -10°С: I=173mA
для +25°С: I=226mA
для +100°С: I=402mA
Т.е. д/ +100°С наблюдается выход за пределы диапазона на 15% и выход за пределы безопасных значений на 35%.
Рассматриваем условия возникновения:
RΘпереход-среда>70°C/Вт при малом радиаторе. Следовательно, при I=402mA, температура перехода составит ~+117°C>+100°C, процесс динамический, он завершится необратимыми потерями характеристик и разрушением диода уже при среде 25°С, т.е. при комнатной температуре воздуха.
Колебания мощности СИД во всём температурном диапазоне составят 232%, что приведёт к существенным изменениям выходного светового потока более чем в 2 раза.
Очевидно, что с учётом технологического разброса максимального прямого напряжения ситуация будет выглядеть много хуже.
Из этого примера следуют 2 вывода:
1. использование мощных СИД без радиатора недопустимо.
2. использование стабилизаторов напряжения без выходного резистора или функции ограничения тока недопустимо.
Возникает вопрос: как пользователю, не имеющему специальной подготовки, понять, используется ли в схеме, особенно сложной, импульсной, ограничение тока, особенно если выходного резистора нет?
Как бы ни была сложна схема, для считывания тока применяются типовые приёмы, распознать которые не составит труда. Самый часто используемый - считывание тока на резисторе, включенном последовательно с СИД - от точки соединения его с СИД в схему должен уходить сигнал. Например, независимо от прочей части конструкци, схема 1 не обеспечивает считывание тока, а схемы 2 и 3 обеспечивают.
Схема 1.
Схема 2.
Схема 3.
Нужно учесть, что большинство распространённых ИМС импульсных источников питания не имеют функции считывания больших токов и обеспечение такой возможности приводит к некоторому увеличению числа компонентов, что, впрочем, является хорошей альтернативой преждевременному выходу СИД из строя.
Но вот соотношение потребляемого тока\яркость...