Circuitos de controlador LED de alta potencia: 12 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

LED de alta potencia: ¡el futuro de la iluminación!

pero … ¿cómo los usas? donde los consigues Los LED de potencia de 1 vatio y 3 vatios ahora están ampliamente disponibles en el rango de $ 3 a $ 5, por lo que últimamente he estado trabajando en un montón de proyectos que los usan. en el proceso me estaba molestando que las únicas opciones de las que alguien habla para manejar los LED son: (1) una resistencia, o (2) un aparato electrónico realmente caro. Ahora que los LED cuestan $ 3, ¡se siente mal pagar $ 20 para que el dispositivo los conduzca! Así que volví a mi libro "Analog Circuits 101" y descubrí un par de circuitos simples para impulsar los LED de potencia que solo cuestan $ 1 o $ 2. Este instructivo le dará un paso a paso de todos los diferentes tipos de circuitos para alimentar LED grandes, desde resistencias hasta fuentes de conmutación, con algunos consejos sobre todos ellos y, por supuesto, brindará muchos detalles sobre mi nuevo y simple Power. Circuitos de controladores LED y cuándo / cómo usarlos (y hasta ahora tengo otros 3 instructables que usan estos circuitos). Parte de esta información también termina siendo bastante útil para los LED pequeños, aquí están mis otros instructables de LED de potencia, échales un vistazo para ver otras notas e ideas.

Paso 1: descripción general / piezas

Existen varios métodos comunes para encender los LED. ¿Por qué tanto alboroto? Se reduce a esto: 1) Los LED son muy sensibles al voltaje utilizado para alimentarlos (es decir, la corriente cambia mucho con un pequeño cambio en el voltaje) 2) El voltaje requerido cambia un poco cuando el LED se pone en caliente o aire frío, y también dependiendo del color del LED y los detalles de fabricación. Por lo tanto, hay varias formas comunes en que los LED generalmente se encienden, y repasaré cada uno en los siguientes pasos.

Partes Este proyecto muestra varios circuitos para impulsar los LED de potencia. para cada uno de los circuitos, he anotado en el paso relevante las piezas que se necesitan, incluidos los números de pieza que puede encontrar en www.digikey.com. Para evitar una gran cantidad de contenido duplicado, este proyecto solo analiza circuitos específicos y sus pros y contras. Para obtener más información sobre las técnicas de montaje y averiguar los números de pieza de los LED y dónde puede obtenerlos (y otros temas), consulte uno de mis otros proyectos de LED de potencia.

Paso 2: Datos de rendimiento del LED de alimentación: práctica tabla de referencia

A continuación se muestran algunos parámetros básicos de los LED Luxeon que utilizará para muchos circuitos. Utilizo las cifras de esta tabla en varios proyectos, así que aquí las estoy poniendo todas en un lugar al que puedo hacer referencia fácilmente. Luxeon 1 y 3 sin corriente (punto de apagado): blanco / azul / verde / cian: caída de 2,4 V (= "voltaje de avance del LED") rojo / naranja / ámbar: caída de 1,8 V Luxeon-1 con corriente de 300 mA: blanco / azul / verde / cian: caída de 3,3 V (= "voltaje de avance del LED") rojo / naranja / ámbar: 2.7V dropLuxeon-1 con corriente de 800mA (por encima de las especificaciones): todos los colores: 3.8V dropLuxeon-3 con corriente de 300mA: blanco / azul / verde / cian: 3.3V dropred / naranja / ámbar: 2.5V dropLuxeon-3 con Corriente de 800 mA: blanco / azul / verde / cian: gota de 3,8 V rojo / naranja / ámbar: caída de 3,0 V (nota: mis pruebas no concuerdan con la hoja de especificaciones) Luxeon-3 con corriente de 1200 mA: rojo / naranja / ámbar: caída de 3,3 V (nota: mis pruebas no concuerdan con la hoja de especificaciones) Los valores típicos para LED "pequeños" regulares con 20mA son: rojo / naranja / amarillo: 2.0 V verde gota / cian / azul / violeta / blanco: 3.5V gota

Paso 3: ¡Energía directa

¿Por qué no conectar la batería directamente al LED? ¡Parece tan simple! ¿Cuál es el problema? ¿Podré hacerlo? El problema es la fiabilidad, la coherencia y la solidez. Como se mencionó, la corriente a través de un LED es muy sensible a pequeños cambios en el voltaje a través del LED, y también a la temperatura ambiente del LED, y también a las variaciones de fabricación del LED. Entonces, cuando simplemente conecta su LED a una batería, tiene poca idea de cuánta corriente pasa a través de él. "pero y qué, se encendió, ¿no?". Claro. dependiendo de la batería, es posible que tenga demasiada corriente (el LED se calienta mucho y se quema rápidamente) o muy poca (el LED está tenue). El otro problema es que incluso si el LED está bien cuando lo conectas por primera vez, si lo llevas a un nuevo entorno que sea más cálido o más frío, se oscurecerá o será demasiado brillante y se quemará, porque el LED tiene mucha temperatura. sensible. las variaciones de fabricación también pueden causar variabilidad. Así que tal vez leas todo eso y estás pensando: "¡y qué!". Si es así, avance y conéctese directamente a la batería. para algunas aplicaciones puede ser el camino a seguir.- Resumen: use esto solo para hacks, no espere que sea confiable o consistente, y espere que se quemen algunos LED en el camino.- Un famoso truco que pone este método Un uso excepcionalmente bueno es el LED Throwie. Notas: - si está usando una batería, este método funcionará mejor si usa baterías * pequeñas *, porque una batería pequeña actúa como si tuviera una resistencia interna. Esta es una de las razones por las que el LED Throwie funciona tan bien. Si realmente desea hacer esto con un LED de encendido en lugar de un LED de 3 centavos, elija el voltaje de la batería para que el LED no esté a plena potencia. esta es la otra razón por la que el LED Throwie funciona tan bien.

Paso 4: la humilde resistencia

Este es, con mucho, el método más utilizado para alimentar los LED. Simplemente conecte una resistencia en serie con su (s) LED (s).pros: - este es el método más simple que funciona de manera confiable - solo tiene una parte - cuesta centavos (en realidad, menos de un centavo en cantidad) contras: - no muy eficiente. debe compensar el desperdicio de energía con un brillo LED consistente y confiable. Si desperdicia menos energía en la resistencia, obtiene un rendimiento de LED menos consistente.- debe cambiar la resistencia para cambiar el brillo del LED - si cambia la fuente de alimentación o el voltaje de la batería de manera significativa, debe cambiar la resistencia nuevamente.

Cómo hacerlo: Hay muchas páginas web geniales que ya explican este método. Por lo general, desea averiguar: - qué valor de resistencia usar - cómo conectar sus LED en serie o en paralelo Hay dos buenas "Calculadoras LED" que encontré que le permitirán ingresar las especificaciones en sus LED y fuente de alimentación, y lo harán diseñe la serie completa / circuito paralelo y resistencias para usted! https://led.linear1.org/led.wizhttps://metku.net/index.html? sect = view & n = 1 & path = mods / ledcalc / index_eng calculadoras, use la Tabla de referencia práctica de datos de LED de potencia para los números de corriente y voltaje que la calculadora le pide. Si está utilizando el método de resistencia con LED de potencia, ¡rápidamente querrá obtener muchas resistencias de potencia baratas! aquí hay algunos baratos de digikey: "Yageo SQP500JB" es una serie de resistencias de 5 vatios.

Paso 5: $ reguladores de brujería

Los reguladores de conmutación, también conocidos como convertidores "DC-to-DC", "buck" o "boost", son la forma elegante de alimentar un LED. lo hacen todo, pero son caros. ¿Qué es lo que "hacen" exactamente? el regulador de conmutación puede reducir ("reducir") o aumentar ("aumentar") el voltaje de entrada de la fuente de alimentación al voltaje exacto necesario para alimentar los LED. a diferencia de una resistencia, monitorea constantemente la corriente del LED y se adapta para mantenerla constante. Hace todo esto con una eficiencia energética del 80-95%, sin importar cuánto sea el step-down o step-up. Pros: - rendimiento LED constante para una amplia gama de LED y fuentes de alimentación - alta eficiencia, generalmente 80-90% para convertidores boost y 90-95% para convertidores reductores - puede alimentar LED de suministros de voltaje más bajo o más alto (step-up o step-down) - algunas unidades pueden ajustar el brillo del LED - unidades empaquetadas diseñadas para LED de encendido están disponibles y son fáciles to useCons: - complejo y caro: típicamente alrededor de $ 20 por una unidad empaquetada. - Hacer el suyo propio requiere varias piezas y habilidades de ingeniería eléctrica.

Un dispositivo listo para usar diseñado especialmente para LED de potencia es el Buckpuck de LED Dynamics. Usé uno de estos en mi proyecto de faros de potencia y estaba bastante contento con él. estos dispositivos están disponibles en la mayoría de las tiendas web de LED.

Paso 6: ¡¡Las cosas nuevas !! Fuente de corriente constante n. ° 1

¡Vamos a las cosas nuevas! El primer conjunto de circuitos son todas pequeñas variaciones en una fuente de corriente constante súper simple. Pros: - rendimiento constante de LED con cualquier fuente de alimentación y LED - cuesta alrededor de $ 1- solo 4 partes simples para conectar- la eficiencia puede ser superior al 90% (con la selección adecuada de LED y fuente de alimentación) - puede manejar MUCHA potencia, 20 amperios o más sin problema - baja "caída" - el voltaje de entrada puede ser tan solo 0,6 voltios más alto que el voltaje de salida.- rango de operación súper amplio: entre entrada de 3V y 60V Contras: - debe cambiar una resistencia para cambiar el brillo del LED - si está mal configurado, puede desperdiciar tanta energía como el método de resistencia - debe construirlo usted mismo (oh, espere, eso debería ser un 'pro').- el límite de corriente cambia un poco con la temperatura ambiente (también puede ser un 'pro'). Entonces, para resumir: este circuito funciona tan bien como el regulador de conmutación reductor, la única diferencia es que no garantiza el 90% de eficiencia. en el lado positivo, solo cuesta $ 1.

La versión más simple primero: "Fuente de corriente constante de bajo costo n. ° 1" Este circuito aparece en mi proyecto de luz LED de energía simple. ¿Cómo funciona? - Q2 (un NFET de energía) se usa como una resistencia variable. Q2 comienza encendido por R1.- Q1 (un NPN pequeño) se usa como un interruptor de detección de sobrecorriente, y R3 es la "resistencia de detección" o "resistencia de ajuste" que activa Q1 cuando fluye demasiada corriente. El flujo de corriente principal es a través de los LED, a través de Q2 y a través de R3. Cuando fluye demasiada corriente a través de R3, Q1 comenzará a encenderse, lo que comenzará a apagar Q2. Apagar Q2 reduce la corriente a través de los LED y R3. Así que hemos creado un "circuito de retroalimentación", que monitorea continuamente la corriente del LED y la mantiene exactamente en el punto de ajuste en todo momento. Los transistores son inteligentes, ¡eh! - R1 tiene una alta resistencia, de modo que cuando Q1 comienza a encenderse, fácilmente vence a R1.- El resultado es que Q2 actúa como una resistencia, y su resistencia siempre está perfectamente configurada para mantener la corriente del LED correcta. Cualquier exceso de potencia se quema en el segundo trimestre. Por lo tanto, para una máxima eficiencia, queremos configurar nuestra cadena de LED para que esté cerca del voltaje de la fuente de alimentación. Funcionará bien si no hacemos esto, solo desperdiciaremos energía. ¡Esta es realmente la única desventaja de este circuito en comparación con un regulador de conmutación reductor! ¡Establecer la corriente! El valor de R3 determina la corriente establecida. Cálculos: - La corriente del LED es aproximadamente igual a: 0.5 / R3- Potencia R3: la potencia disipado por la resistencia es aproximadamente: 0.25 / R3. Elija un valor de resistencia de al menos 2 veces la potencia calculada para que la resistencia no se caliente. Por lo tanto, para una corriente de LED de 700 mA: R3 = 0,5 / 0,7 = 0,71 ohmios. La resistencia estándar más cercana es de 0,75 ohmios Potencia R3 = 0,25 / 0,71 = 0,35 vatios. necesitaremos al menos una resistencia nominal de 1/2 vatio. Piezas utilizadas: R1: resistencia pequeña (1/4 vatio) de aproximadamente 100 kohmios (como: serie Yageo CFR-25JB) R3: conjunto de corriente grande (1 vatio +) resistor. (una buena opción de 2 vatios es: Panasonic ERX-2SJR series) Q2: gran (paquete TO-220) FET de nivel lógico de canal N (como: Fairchild FQP50N06L) Q1: pequeño (paquete TO-92) transistor NPN (tales como: Fairchild 2N5088BU) Límites máximos: NFET Q2 impone el único límite real al circuito de fuente de corriente. Q2 limita el circuito de dos formas: 1) disipación de potencia. Q2 actúa como una resistencia variable, reduciendo el voltaje de la fuente de alimentación para satisfacer la necesidad de los LED. por lo que Q2 necesitará un disipador de calor si hay una corriente de LED alta o si el voltaje de la fuente de alimentación es mucho más alto que el voltaje de la cadena de LED. (Potencia Q2 = voltios caídos * corriente LED). Q2 solo puede manejar 2/3 vatios antes de que necesite algún tipo de disipador de calor. con un disipador de calor grande, este circuito puede manejar MUCHA potencia y corriente, probablemente 50 vatios y 20 amperios con este transistor exacto, pero puede poner varios transistores en paralelo para obtener más potencia. 2) voltaje. el pin "G" en Q2 solo está clasificado para 20 V, y con este circuito más simple que limitará el voltaje de entrada a 20 V (digamos 18 V para estar seguro). si usa un NFET diferente, asegúrese de verificar la clasificación "Vgs". Sensibilidad térmica: el punto de ajuste actual es algo sensible a la temperatura. esto se debe a que Q1 es el disparador y Q1 es térmicamente sensible. la parte nuber i especificada anteriormente es una de las NPN menos sensibles térmicamente que pude encontrar. aun así, espere tal vez una reducción del 30% en el punto de ajuste actual a medida que pasa de -20C a + 100C. que puede ser un efecto deseado, podría evitar que su Q2 o LED se sobrecalienten.

Paso 7: Ajustes de fuente de corriente constante: n. ° 2 y n. ° 3

estas ligeras modificaciones en el circuito # 1 abordan la limitación de voltaje del primer circuito. Necesitamos mantener la puerta NFET (pin G) por debajo de 20 V si queremos usar una fuente de alimentación superior a 20 V. resulta que también queremos hacer esto para poder conectar este circuito con un microcontrolador o computadora.

en el circuito n. ° 2, agregué R2, mientras que en el n. ° 3 reemplacé R2 con Z1, un diodo Zener. el circuito n. ° 3 es el mejor, pero incluí el n. ° 2 ya que es un truco rápido si no tienes el valor correcto de diodo zener. queremos establecer el voltaje del pin G en aproximadamente 5 voltios; use un diodo zener de 4.7 o 5.1 voltios (como: 1N4732A o 1N4733A); si es menor, Q2 no podrá encenderse completamente, ni más alto y no funcionará con la mayoría de los microcontroladores. Si su voltaje de entrada está por debajo de 10V, cambie R1 por una resistencia de 22k-ohmios, el diodo Zener no funciona a menos que haya 10uA a través de él. después de esta modificación, el circuito manejará 60 V con las piezas enumeradas, y puede encontrar fácilmente un Q2 de mayor voltaje si es necesario.

Paso 8: un pequeño micro marca la diferencia

¿Ahora que? ¡Conéctese a un microcontrolador, PWM o una computadora! Ahora tiene una luz LED de alta potencia totalmente controlada digitalmente. Los pines de salida del microcontrolador solo tienen una capacidad nominal de 5.5V por lo general, es por eso que el diodo Zener es importante. su microcontrolador es de 3.3V o menos, necesita usar el circuito n. ° 4 y configurar el pin de salida de su microcontrolador para que sea "colector abierto", lo que permite que el micro tire hacia abajo del pin, pero permite que la resistencia R1 lo tire hasta 5 V que se necesita para encender completamente Q2. si su micro es de 5 V, entonces puede usar el circuito más simple # 5, eliminar Z1, y configurar el pin de salida del micro para que sea el modo normal pull-up / pull-down - El micro de 5V puede encender Q2 muy bien por sí solo. Ahora que tienes un PWM o un micro conectado, ¿cómo se hace un control de luz digital? para cambiar el brillo de la luz, lo "PWM": lo enciende y apaga rápidamente (200 Hz es una buena velocidad) y cambia la relación entre el tiempo de encendido y el tiempo de apagado. Esto se puede hacer con solo un pocas líneas de código en un microcontrolador. para hacerlo usando solo un chip '555', pruebe este circuito. para usar ese circuito, deshacerse de M1, D3 y R2, y su Q1 es nuestro Q2.

Paso 9: otro método de atenuación

ok, ¿tal vez no quieras usar un microcontrolador? aquí hay otra modificación simple en el "circuito n. ° 1"

la forma más sencilla de atenuar los LED es cambiar el punto de ajuste actual. ¡así que cambiaremos R3! Como se muestra a continuación, agregué R4 y un interruptor en paralelo con R3. por lo tanto, con el interruptor abierto, la corriente se establece mediante R3, con el interruptor cerrado, la corriente se establece mediante el nuevo valor de R3 en paralelo con R4: más corriente. así que ahora tenemos "alta potencia" y "baja potencia", perfectos para una linterna. ¿Quizás le gustaría poner un dial de resistencia variable para R3? desafortunadamente, no los hacen con un valor de resistencia tan bajo, por lo que necesitamos algo un poco más complicado para hacer eso. (vea el circuito n. ° 1 para saber cómo elegir los valores de los componentes)

Paso 10: el controlador ajustable analógico

Este circuito le permite tener un brillo ajustable, pero sin usar un microcontrolador. ¡Es completamente analógico! Cuesta un poco más, alrededor de $ 2 o $ 2.50 en total, espero que no le importe. La principal diferencia es que el NFET se reemplaza por un regulador de voltaje. el regulador de voltaje reduce el voltaje de entrada como lo hizo el NFET, pero está diseñado para que su voltaje de salida se establezca por la relación entre dos resistencias (R2 + R4 y R1). El circuito de límite de corriente funciona de la misma manera como antes, en este caso reduce la resistencia en R2, bajando la salida del regulador de voltaje. Este circuito le permite establecer el voltaje en los LED a cualquier valor usando un dial o control deslizante, pero también limita la corriente del LED como antes. no puede girar el dial más allá del punto seguro. Usé este circuito en mi proyecto de iluminación de sala / punto con control de color RGB. Por favor, consulte el proyecto anterior para ver los números de pieza y la selección del valor de la resistencia. Este circuito puede operar con un voltaje de entrada de 5V a 28 V y hasta 5 amperios de corriente (con un disipador de calor en el regulador)

Paso 11: Una fuente de corriente * incluso más simple *

ok, resulta que hay una forma aún más sencilla de hacer una fuente de corriente constante. la razón por la que no lo puse primero es que también tiene al menos un inconveniente importante.

Este no usa un transistor NFET o NPN, solo tiene un solo regulador de voltaje. En comparación con la "fuente de corriente simple" anterior que usaba dos transistores, este circuito tiene: - incluso menos partes. - "deserción" mucho mayor de 2.4V, lo que reducirá significativamente la eficiencia cuando se enciende solo 1 LED. si está alimentando una cadena de 5 LED, quizás no sea tan importante. - sin cambios en el punto de ajuste actual cuando cambia la temperatura - menos capacidad de corriente (5 amperios - todavía es suficiente para muchos LED)

cómo usarlo: la resistencia R3 establece la corriente. la fórmula es: corriente del LED en amperios = 1.25 / R3, por lo que para una corriente de 550 mA, configure R3 en 2.2 ohmios, por lo general, necesitará una resistencia de potencia, potencia R3 en vatios = 1.56 / R3, este circuito también tiene el inconveniente de que el único La forma de usarlo con un microcontrolador o PWM es encender y apagar todo con un FET de potencia. y la única forma de cambiar el brillo del LED es cambiar R3, así que consulte el esquema anterior para el "circuito # 5" que muestra la adición de un interruptor de potencia baja / alta. Pin del regulador: ADJ = pin 1 OUT = pin 2 IN = Pin 3 partes: regulador: LD1585CV o LM1084IT-ADJ capacitor: capacitor de 10u a 100u, 6.3 voltios o más (como: Panasonic ECA-1VHG470) resistencia: una resistencia mínima de 2 vatios (como: Panasonic ERX-2J series) Puede construir esto con prácticamente cualquier regulador de voltaje lineal, los dos enumerados tienen un buen rendimiento general y un buen precio. el clásico "LM317" es barato, pero la caída es aún mayor: 3,5 voltios en total en este modo. Ahora hay muchos reguladores de montaje en superficie con deserciones ultrabajas para uso de baja corriente, si necesita alimentar 1 LED con una batería, vale la pena examinarlos.

Paso 12: ¡Jaja! ¡Existe una forma aún más fácil

Me avergüenza decir que no pensé en este método, lo supe cuando desmonté una linterna que tenía un LED de alto brillo en su interior.

-------------- Coloque una resistencia PTC (también conocida como "fusible reiniciable PTC") en serie con su LED. Guau.no hay nada más fácil que eso. -------------- OK. Aunque es simple, este método tiene algunos inconvenientes: - Su voltaje de conducción solo puede ser un poco más alto que el voltaje de "encendido" del LED. Esto se debe a que los fusibles PTC no están diseñados para eliminar una gran cantidad de calor, por lo que debe mantener la caída de voltaje en el PTC bastante baja. puede pegar su ptc a una placa de metal para ayudar un poco. - No podrá manejar su LED a su máxima potencia. Los fusibles PTC no tienen una corriente de "disparo" muy precisa. Por lo general, varían en un factor de 2 desde el punto de disparo nominal. Por lo tanto, si tiene un LED que necesita 500 mA y obtiene un PTC con una potencia nominal de 500 mA, terminará con entre 500 mA y 1000 mA, lo que no es seguro para el LED. La única opción segura de PTC está un poco subestimada. Obtenga el PTC de 250 mA, entonces su peor caso es 500 mA que el LED puede manejar. ----------------- Ejemplo: para un solo LED con una potencia nominal de 3,4 V y 500 mA. Conéctese en serie con un PTC de aproximadamente 250 mA. El voltaje de conducción debe ser de aproximadamente 4.0V.