Zasilanie diod LED. Układy scalone do zasilaczy diod LED

W przeszłości używane były diody LED o małej mocy, które były stosowane w sprzęcie elektronicznym do sygnalizowania statusu urządzenia lub wyboru dokonanego przez użytkownika. Były to łatwe w aplikacjach diody pobierające prąd rzędu kilku miliamperów, które były zasilane albo wprost z zasilacza, przez rezystor ograniczający prąd, albo za pomocą tranzystora lub bramki cyfrowej. Myślę, że z tamtych lat wzięło się przekonanie, że aplikacja diody LED to „nic takiego”.

Osobiście przekonałem się, że to nie przelewki, gdy wykonuje się oświetlenie czołowe do rodzaju wózka inspekcyjnego. LED-y były znacznie wygodniejsze od dotychczas używanych żarówek halogenowych, ponieważ – co oczywiste i nikogo już dziś nie dziwi – przy zbliżonej światłości wymagały mniejszej mocy zasilania, co miało duże znaczenie przy długich przewodach zasilających. Stosowany przeze mnie zespół LED-ów pobierał prąd rzędu kilkudziesięciu mA na diodę, co powodowało określone problemy w aplikacji. Po pierwsze, odprowadzenie ciepła z tak małej struktury nie jest trywialna, zwłaszcza jeśli wykonuje się jedną z pierwszych aplikacji i niewiele osób wie, jak to zrobić. Po drugie, do zasilania diod LED stosowałem źródło prądowe wykonane z użyciem układów analogowych (liniowych), co było źródłem strat mocy po stronie zasilacza. Niełatwa była też aplikacja samej diody, regulowanie jej jasności świecenia – na skutek niedostatku wiedzy trzeba było rozwiązywać te wszystkie problemy samodzielnie. Dziś wystarczy sięgnąć do literatury, Internetu, czasopism takich, jak „Elektronika Praktyczna” podających gotowe, sprawdzone receptury na zbudowanie podobnych układów.

Aplikacji diod LED nie można lekceważyć zwłaszcza wtedy, gdy zasila się całe ich zespoły. Dobre źródło światła wymaga nie tylko właściwego zasilania, ale również całościowego ujęcia zagadnień termicznych, ponieważ to właśnie temperatura ma największy wpływ na właściwości materiału półprzewodnikowego. Przepływ dużego prądu powoduje znaczące straty mocy, tracona moc zamienia się w ciepło, wzrost temperatury struktury półprzewodnikowej diody powoduje obniżenie się napięcia progowego, obniżenie się napięcia jest przyczyną wzrostu prądu płynącego przez diodę i tak dalej, aż do uszkodzenia komponentu, o ile nie zabezpieczymy się przed tym układowo. Ciekawą analizę pracy zespołu diod LED, do której już odwoływaliśmy się w EP 12/2015, wykonała firma OSRAM, prezentując ją w swojej nocie aplikacyjnej [1]. We wspomnianym wydaniu magazynu zajmowaliśmy się też układami scalonymi do zasilania LED. Dosyć jest powiedzieć, że od tamtego czasu nie nastąpiła jakaś ogromna rewolucja, aczkolwiek upowszechnienie się LED-ów jako źródeł światła spowodowało, że spadły ceny komponentów przy jednoczesnym wzroście sprawności energetycznej i świetlnej. Jednocześnie ilość dostępnej wiedzy i doświadczenie konstruktorów spowodowały, że współcześnie rzadko pojawiają się pytania typu „a czy muszę do zasilania LED stosować źródło prądowe?”. Odpowiedź brzmi – lepiej tak. Pewien zamęt na rynku podzespołów powoduje też konsolidacja wielkich firm, które przez to stają się jeszcze większe, a ich oferta przerasta ramy pojmowania pojedynczego konstruktora elektronika, który lubi mieć własne nawyki i stosować sprawdzone rozwiązania. W takiej sytuacji ogromnego znaczenia zaczyna też nabierać rola wsparcia technicznego dystrybutora komponentów.

Aby zbudować zasilacz dla diod LED mocy, można użyć praktycznie dowolnego układu scalonego stabilizatora, który może pracować w konfiguracji źródła prądowego. Bardzo dobrze nadaje się do tego celu analogowy (liniowy), rzec by można – niemal kultowy stabilizator LM317 (rysunek 1). Schemat ciekawego rozwiązania znalazłem w Internecie [3] – pokazano je na rysunku 2. Zgodnie z opisem zamieszczonym na stronie [3], w tym obwodzie obciążenie (diody LED) jest włączone pomiędzy dodatni biegun zasilania +12 V a kolektor tranzystora Q2. Tranzystor Q1 pracuje na liniowym odcinku charakterystyki i pełni funkcję regulowanego rezystora. Rezystor R2 zasila bazę Q2, więc po załączeniu zasilania Q2 przewodzi. Skoro tylko przez obciążenie, tranzystor Q2 i rezystor R2 zaczyna płynąć prąd, to wzrasta też spadek napięcia na R2. Gdy osiągnie on punkt przegięcia charakterystyki tranzystora Q1, to ten zaczyna przewodzić i tym samym „ściągać” bazę Q2 do masy. Powoduje to wzrost jego rezystancji kolektor-emiter, co skutkuje zmniejszeniem się prądu płynącego przez obciążenie i przez złącze CE tranzystora Q2. Tym samym maleje spadek napięcia na R2, co podwyższa napięcie na bazie Q1, powodując wzrost prądu. W ciągu kilku milisekund prąd stabilizuje się w specyficznym punkcie wyznaczanym przez rezystancję R2.

Minimalne napięcie zasilające prezentowanego obwodu wynosi 1,2 V i jest znacznie niższe od wymaganego przez LM317. Rezystancja R2 jest łatwa do wyznaczenia, ponieważ do jej obliczenia jest potrzebne jedynie prawo Ohma oraz znajomość napięcia U_BE tranzystora Q2. Większość typowych tranzystorów krzemowych zaczyna przewodzić przy napięciu rzędu 0,56…0,58 V i osiąga punkt nasycenia (przegięcia charakterystyki) przy ok. 0,7 V. Jeśli wymagamy prądu obciążenia 100 mA, to rezystancję R2 można obliczyć jako R2=0,58 V/0,1 A, a więc 5,8 V. W normalnych warunkach pracy straty mocy na rezystorze R2 wynoszą P=0,58 V×0,1 A=0,058 W. W takich warunkach pracy, po uwzględnieniu marginesu bezpieczeństwa, bez problemu da sobie radę rezystor o mocy 0,125 W. A jak będzie dla prądu rzędu 0,6 A? R2=0,58 V/0,6 A=967 V. Straty mocy w takiej sytuacji to P=0,348 W – uwzględniając margines bezpieczeństwa, użyjmy rezystora o mocy rzędu 0,7…1 W. Dla porównania, w aplikacji z LM317 musielibyśmy użyć rezystora o oporności około 2 V, co powodowałoby straty mocy wynoszące 0,72 W, a więc uwzględniając margines bezpieczeństwa, musielibyśmy użyć rezystora o mocy 2 W. Pomijając wielkość komponentu istotny jest też fakt, że straty mocy są o blisko połowę mniejsze, a sam obwód składa się z 4 bardzo tanich komponentów.

Prezentowany obwód ma jednak pewną wadę – po załączeniu zasilania „usiłuje” wymusić maksymalny możliwy przepływ prądu przez obciążenie dopóty, dopóki spadek napięcia na R2 nie zacznie „uruchamiać” Q2. Dlatego też wybierając rezystor R2, należy posłużyć się tzw. scenariuszem najgorszego przypadku, który powinien uwzględnić maksymalną moc mogącą wytracić się na tym rezystorze. Najlepiej, aby ten rezystor był dobrany na wypadek zwarcia obciążenia i tranzystora Q1. Wydaje się, że w takich warunkach pracy (oznaczających faktycznie uszkodzenie obwodu) łatwiej jest zastosować dodatkowy, szeregowy bezpiecznik topikowy.

Aby zakończyć temat regulatorów analogowych, które są łatwe do zbudowania, ale mają szereg wad, z których bodaj najpoważniejszą jest mała sprawność energetyczna, co zupełnie eliminuje je z uycia w źródłach światła o dużej mocy, przypomnijmy bodaj najłatwiejszy do wykonania obwód zasilania diody LED o średniej mocy (lub ich zespołu) za pomocą półprzewodnikowych ograniczników prądu typu CL20M45 (20 mA) lub CL40M45 (40 mA). Schematy tych rozwiązań pokazano na rysunkach 3 i 4.

Większość nowoczesnych aplikacji zasilaczy diod LED będzie jednak wymagała zasilania za pomocą impulsowego źródła prądowego ze względu na wymagania odnośnie do uzyskania dużej sprawności energetycznej. Zwykle te zasilacze zawierają więcej komponentów, ale masowa produkcja oznacza, że niekoniecznie są droższe. Dioda LED o dużej mocy, zwykle montowana na radiatorze, wytwarza dużo ciepła, które wymaga rozproszenia. Dodawanie do niego ciepła strat komponentów pogarsza sytuację i powoduje skrócenie czasu funkcjonowania diody. Nowoczesne układy przetwornic impulsowych pozwalają na uzyskanie sprawności przekraczającej 90% w normalnych warunkach eksploatacji.

Jak wspomniano, do zasilania diody LED mocy jest wymagane źródło prądowe. Utrzymuje ono stałą wartość prądu obciążenia, mając teoretycznie nieskończone napięcie wyjściowe. W praktyce, maksymalne napięcie wyjściowe jest ograniczone wartością napięcia wejściowego (zasilającego), aczkolwiek wiele przetwornic do zasilania LED ma możliwość pracy w konfiguracji podnoszącej napięcie. Do wyboru są układy (zasilacze) obniżające napięcie wejściowe (buck, step-down), podwyższające (boost) oraz uniwersalne (buck-boost lub SEPIC). Ponadto, często mają one wyjścia sygnalizujące usterkę, wbudowane obwody zabezpieczające przed przepięciem i zwarciem oraz odłączające obciążenie po przekroczeniu dopuszczalnej temperatury lub prądu obciążenia.

W aplikacjach profesjonalnych do zasilania diod LED mocy nie stosuje się rezystorów szeregowych. Jeśli dioda LED ma moc 1 W i napięcie progowe 2 V, to do jej zasilania będzie wymagany prąd o natężeniu ok. 0,5 A. Jeśli zasilacz będzie dostarczał 3,3 V, to na rezystorze stracimy 0,65 W, co znacząco obniży sprawność energetyczną źródła światła i stworzy problemy z rozproszeniem nadmiaru mocy. Ponadto, zależność pomiędzy natężeniem prądu płynącego przez diodę a intensywnością jej świecenia jest bliska liniowej, natomiast charakterystyka przejściowa diody jest bardzo stroma i silnie zależy od temperatury złącza. Napięcie progowe jest tym niższe, im jest wyższa temperatura złącza. Jeśli dioda jest zasilana ze źródła o stabilizowanym napięciu, to nawet niewielka różnica temperatury złącza, a co za tym idzie – napięcia progowego – może wywołać widoczną różnicę jasności świecenia, ponieważ źródło napięciowe stabilizujące swoje napięcie wyjściowe nie będzie starało się podwyższyć go lub obniżyć, aby ustalić odpowiednią jasność świecenia diody. Tę zdolność ma jedynie źródło prądowe, które będzie dążyło do takich warunków pracy, w których prąd wyjściowy będzie stały i przez to jasność świecenia diody będzie utrzymywana na stałym poziomie. Przekroczenie maksymalnego prądu przewodzenia powoduje szybkie zużycie diody, zmianę koloru jej świecenia, uszkodzenie złącza.

Zasilaczy diod LED nie należy mylić ze sterownikami, aczkolwiek te mogą być zintegrowane ze źródłami prądowymi. Sterowniki LED są używane do załączania, wyłączania, kontroli jasności i koloru świecenia, tworzenia efektów świetlnych itp. Często mają interfejs cyfrowy (np. I²C lub SPI) umożliwiający komunikowanie się z systemem nadrzędnym. Zwykle sterowniki diod LED mają prąd wyjściowy o niedużym natężeniu, raczej nieprzekraczającym 100…150 mA [4].

Jasność świecenia diod LED można kontrolować:

- Analogowo, za pomocą regulowania prądu płynącego przez diodę.
- Zmieniając współczynnik wypełnienia prądu płynącego przez diodę.
- Zmieniając natężenie prądu szczytowego przy zasilaniu impulsowym za pomocą przebiegu o wypełnieniu o wypełnieniu 1/10.

Zmiana prądu diody LED może polegać po prostu na zmianie rezystora regulującego jego natężenie. Nie zawsze da się to zrobić za pomocą potencjometru ze względu na duże straty mocy występujące w elemencie rezystancyjnym, ale tak właśnie można sobie ją wyobrazić. W świetle dostępnych podzespołów jeszcze łatwiejsze do realizacji jest regulowanie natężenia światła za pomocą zmiany wypełnienia impulsów przebiegu PWM zasilającego diodę. Trzeba jednak wziąć pod uwagę, że praktyczna realizacja układowa może być skomplikowana ze względu na zjawiska występujące podczas przełączania (kluczowania) prądu o dużym natężeniu. Należą do nich możliwość wystąpienia przepięcia, przetężenia, straty mocy w elemencie przełączającym i inne. Sterowanie PWM umożliwia uzyskanie liniowej charakterystyki regulacji jasności względnej oraz łatwe (przy stosowaniu mikrokontrolera) dopasowanie zakresu regulacji do preferencji użytkownika, typu diody, charakterystyki jej świecenia itp. Kolejna metoda regulowania jasności świecenia diody LED bazuje na bardzo dużej szybkości działania diody LED, co tworzy możliwość jej zasilenia krótkimi impulsami prądowymi o częstotliwości od kilku kHz, których natężenie szczytowe przekracza znamionowy prąd diody. Zasilana w ten sposób dioda świeci z kilkakrotnie większą jasnością niż przy zasilaniu „tradycyjnym”. Duża częstotliwość impulsów przekłada się na dużą częstotliwość błysków diody, co dzięki bezwładności oka ludzkiego jest postrzegane jako świecenie ciągłe. Jasność świecenia diody w tej metodzie reguluje się za pomocą natężenia szczytowego („wysokości” impulsów prądowych). Dioda pracuje impulsowo, co wpływa na wydłużenie jej żywotności. Warunkiem stosowania tej metody jest, aby energia wydzielona w diodzie w czasie jednego okresu była mniejsza lub równa wartości energii wydzielającej się w tym samym czasie przy zasilaniu prądem ciągłym, znamionowym. Inaczej można doprowadzić do przegrzania diody i jej uszkodzenia. Ta metoda nie jest zalecana dla diod, których moc przekracza 1 W ze względu na znaczne natężenie prądu impulsowego, który może spowodować uszkodzenie połączeń pomiędzy strukturą diody a jej doprowadzeniami. Z drugiej strony, jest też skomplikowana układowo, jeśli do jej realizacji nie będzie się używało gotowego kontrolera lub układu scalonego zasilacza.

Układy scalone do zasilaczy diod LED

Oświetlenie LED spotkamy niemal we wszystkich zastosowaniach. Odpowiednie diody świecące podświetlają tła wyświetlaczy LCD w użytkowanych przez nas urządzeniach. Coraz częściej diody o dużej mocy są stosowane w oświetleniu ulicznym. Szczególną estymą cieszą się one także u architektów, którzy ukrywając we wnękach miniaturowe źródła światła, mogą tworzyć obiekty o niepowtarzalnym wyglądzie.

Ze względu na ogromny popyt układy scalone do budowania zasilaczy LED są oferowane przez każdego większego producenta półprzewodników. Ogromna jest również oferta gotowych zasilaczy do diod LED. Ze względu na tak naprawdę podobną ofertę bardzo trudno jest doradzić, czym kierować się przy wyborze konkretnego rozwiązania. Na pewno ogromne znaczenie będą tu miały cena, dostępność, relacje z producentem lub dystrybutorem, wsparcie – każdy wybór będzie indywidualny, dopasowany do sytuacji, w której jest opracowywana aplikacja.

Allegro MicroSystems

Firma Allegro MicroSystems ma w ofercie szereg układów przeznaczonych do zasilania diod LED. Są to zasilacze impulsowe i liniowe, znajdujące zastosowanie w aplikacjach ogólnego przeznaczenia oraz specjalnych, takich jak oznakowanie oraz oświetlenie pojazdów (http://www.allegromicro.com/en/Products/Regulators-And-Lighting.aspx). Wiele z tych układów ma wbudowane tranzystory kluczujące MOSFET, co upraszcza aplikację oraz zmniejsza powierzchnię zajmowaną na płytce drukowanej. Oferta firmy Allegro MicroSystems obejmuje układy o różnych topologiach, różnej obciążalności i liczbie kanałów wyjściowych. Przegląd nowości, które pojawiły się od poprzedniego artykułu, układów scalonych – driverów LED ogólnego przeznaczenia umieszczono w tabeli 1. Przypomnijmy, że firma oferuje również układy scalone przeznaczone do zastosowania w motoryzacji – nie tyle do zasilania oświetlenia głównego, ile do oświetlenie pomocniczego (oświetlenie wnętrza, podświetlenie tła).

Diodes Incorporated

Na stronie internetowej producenta (http://www.diodes.com/catalog/LED_Drivers_67), jak poprzednio nadal jest widoczny podział układów scalonych do zasilaczy LED na przeznaczone do: oświetlenia LED, znaków świetlnych, pojazdów (certyfikowane), urządzeń przenośnych. Podstawowe parametry układów scalonych z oferty Diodes Inc. umieszczono w tabelach 2…3. Układy mogą pracować w różnych technologiach i zależnie od przeznaczenia są to albo nieskomplikowane zasilacze, albo wielokanałowe, mające funkcje sygnalizujące uszkodzenia diod LED i inne stany awaryjne. Co ciekawe, prawie nie ma zmian w ofercie układów dla motoryzacji. Powodem jest zapewne długotrwały proces certyfikacji. Owszem, nieliczne układy wycofano z oferty, inne zyskały nowe certyfikaty, ale na pierwszy rzut oka nie widać większych zmian w ofercie.

Fairchild Semiconductor - aktualnie własność ON Semiconductor

Po opublikowaniu ostatniego przeglądu, ogromnie zasłużona dla rozwoju elektroniki firma Fairchild Semiconductor, producent pierwszego, komercyjnego układu scalonego, stała się własnością ON Semiconductor. Wizyta na nadal istniejącej stronie internetowej firmy Fairchild (https://www.fairchildsemi.com) nie wykazała jakichś ogromnych zmian w ofercie firmy. W porównaniu do poprzedniego przeglądu należy zauważyć, że w jej ofercie przybyło kilka interesujących układów scalonych – wymieniono je w tabeli 6. Na stronie można też skorzystać z narzędzia Power Supply WebDesigner podpowiadającego – w interesującym nas zakresie – gotowe rozwiązania przetwornic izolowanych, nieizolowanych, przeznaczonych do różnych zastosowań (rysunek 5).

Infineon

Sporo zmieniło się w ofercie Infineona. Od poprzedniego przeglądu firma znacznie rozbudowała swoją ofertę, wprowadzając nowe grupy produktów. Nowe, animowane menu na stronie internetowej (https://www.infineon.com/) umożliwia przegląd całej oferty układów przeznaczonych do oświetlenia. Skrócony przegląd obszernej oferty prezentujemy w tabelach 7…9.

Linear Technology 

Ten producent jest dobrze znany z wytwarzania układów przeznaczonych do budowania zasilaczy o różnym przeznaczeniu. Dlatego też w jego ofercie nie mogło zabraknąć układów do zasilania LED. W tabelach 11…17 umieszczono skrócony przegląd oferty LT. Zależnie od typu, w strukturach układów mogą być zintegrowane diody Schottky'ego, tranzystory kluczujące, obwody mierzące prąd obciążenia i sygnalizujące uszkodzenia diod LED, wielowyjściowe klucze z interfejsem cyfrowym itp. Na stronie internetowej http://www.linear.com/products/LED_Driver_ICs udostępniono filtr umożliwiający wstępną selekcję układu scalonego do aplikacji.

Maxim Integrated 

Firma Maxim Integrated oferuje dużą liczbę układów scalonych do zasilania diod LED i sterowania nimi w różnorodnych aplikacjach (https://www.maximintegrated.com/en/products/power/led-drivers.html), jednak zdecydowaną większość układów scalonych oferowanych przez tego producenta wymieniliśmy w EP 12/2015. Wstępną selekcję układów do aplikacji umożliwia filtr umieszczony na stronie internetowej firmy pod wymienionym wcześniej adresem. Ten producent oferuje liczną grupę układów scalonych przeznaczonych do zasilania diod LED używanych w projektorach oraz do zastosowania w motoryzacji, gdzie oświetlenie LED staje się coraz bardziej popularne (w ofercie tego producenta można znaleźć układy dostarczające do obciążenia moc do 300 W przy napięciu 100 V).

Microchip

Firma Microchip ma nową, wygodną w użyciu stronę internetową, na której można posłużyć się rozbudowanym selektorem produktów (http://www.microchip.com/products/). Są wśród nich również liczne układy scalone służące do budowania zasilaczy LED, źródeł prądowych, sterowników i inne. Niektóre z nich, na przykład te przeznaczone dla segmentu „automotive”, noszą oznaczenie AT, co zapewne jest związane z zakupem przez Microchipa firmy Atmel.

ON Semi

Po zakupie przez ON Semi firmy Fairchild ofertę obu producentów należałoby rozpatrywać łącznie, jednak na razie wygląda na to, że obie firmy działają samodzielnie. Pełna oferta ON Semi jest dostępna na stronie internetowej http://www.onsemi.com/PowerSolutions/taxonomy.do?id=16200. Ważniejsze parametry nowych układów scalonych do zasilaczy LED wymieniono w tabeli 11. Wstępną selekcję umożliwia filtr parametryczny umieszczony na stronie internetowej producenta.

Power Integrations

Firma koncentruje się na wytwarzaniu układów scalonych przeznaczonych do zasilaczy impulsowych. W jej ofercie znajduje się kilka rodzin driverów do zasilania diod LED (https://led-driver.power.com/). Jest sztandarową ofertę nadal stanowią układy z rodzin LYTSwitch-0…LYTSwitch-7 (https://led-driver.power.com/products/lytswitch-family/). Ich charakterystyczną cechą jest wbudowany w strukturę tranzystor kluczujący. Układy te nie wymagają dodatkowego zasilacza dla części cyfrowej.

Rodzina układów LYTSwitch-0 jest przeznaczona do konstruowania nieizolowanych źródeł światła, które nie mają możliwości współpracy ze ściemniaczem. Struktura układów zawiera tranzystor MOSFET o napięciu przebicia U_DS 700 V, oscylator, źródło prądowe, obwody zabezpieczające przed przegrzaniem i przeciążeniem. Zasilacze wykonane w oparciu o te układy są tanie i mają niewielkie wymiary. Aplikacja układu zawiera jedynie kilkanaście elementów zewnętrznych, w większości komponentów pasywnych. Sprawność układów przekracza przy tym 90%, a współczynnik mocy jest lepszy niż 0,5. Układy z tej rodziny mogą dostarczać do obciążenia moc do 12 W.

Układy z rodziny LYTSwitch-2 są przeznaczone do zasilania diod LED o mocy do 22 W. Dzięki mechanizmowi regulacji po stronie pierwotnej wyeliminowano konieczność użycia transoptora w pętli sprzężenia zwrotnego, osiągając przy tym dobrą dokładność stabilizacji prądu wyjściowego (±3%). Jest to możliwe między innymi dzięki wbudowanemu modułowi kompensującemu wahania wartości indukcyjności transformatora oraz pozostałych elementów pasywnych. Struktura układu zawiera wysokonapięciowy tranzystor MOSFET (725 V), innowacyjną maszynę stanów, źródło prądowe, obwody zabezpieczające, moduł kontroli jittera częstotliwościowego.

LYTSwitch-3 to układy przeznaczone do jednostopniowych zasilaczy „żarówek” i oświetlaczy LED. Każdy z układów zawiera tranzystor kluczujący MOSFET oraz szereg obwodów zabezpieczających przed zwarciem, przegrzaniem, przepięciem i innymi sytuacjami mogącymi zdarzyć się w czasie eksploatacji. Wszystkie układy z tej rodziny mogą pracować ze ściemniaczami oświetlenia opartymi na triaku, co jednak ma wpływ na sprawność gotowego zasilacza. Dlatego, jeśli wbudowany detektor nie wykryje obecności triaka w instalacji, układ przechodzi w tryb pracy bez regulacji, w którym ma podwyższoną sprawność energetyczną. Układy charakteryzują się również obniżonym poziomem emisji zaburzeń EMI dzięki połączonym technikom regulacji jittera częstotliwości oraz przełączaniu w konfiguracji low side. Układy mogą zasilać obciążenie o mocy do 25 W.

LYTSwitch-4 to rodzina kontrolerów umożliwiająca budowanie izolowanych galwanicznie zasilaczy LED o mocy do 78 W. Mechanizm regulatora zaimplementowano po stronie pierwotnej, dzięki czemu uniknięto konieczności użycia transoptora w pętli sprzężenia zwrotnego. Mechanizm korekcji PFC zapewnia współczynnik mocy lepszy niż 0,9 przy sprawności powyżej 90%. Niektóre z układów LYTSwitch-4 mogą współpracować ze ściemniaczami opartymi na triakach.

Układy z rodziny LYTSwitch-5 służą do budowania zasilaczy źródeł światła LED dostarczających stałego światła, niewymagających współpracy ze ściemniaczami. Podobnie jak inne układy, również rodzinę LYTSwitch-5 wyposażono w mechanizmy korekcji PFC. Zasilacze zbudowane z użyciem układów z tej rodziny mogą dostarczać do obciążenia moc do 225 W. Wbudowany tranzystor MOSFET ma napięcie przebicia U_DS wynoszące 725 V. Mogą pracować w różnych topologiach.

Na razie w ofercie Power Integrations nie ma rodziny „6”. Ominięto ją i wprowadzono do oferty jedynego jak na razie przedstawiciela rodziny LYTSwitch-7. Jest to układ przeznaczony do zasilania „żarówek” LED. Na jego bazie można wykonać jednostopniowy zasilacz z mechanizmami korekcji PF, mający możliwość współpracy ze ściemniaczem, zasilający diody o mocy z zakresu 4…22 W.

Oprócz wymienionych wyżej rodzin układów warto wspomnieć jeszcze o LinkSwitch-PL oraz HiperPFS2+HiperLCS. Ta pierwsza, podobnie jak LYTSwitch-0, umożliwia budowanie zasilaczy pracujących przede wszystkim w nieizolowanych konfiguracjach typu buck i buck-boost, osiągając przy tym moc do około 20 W (PFC, współczynnik mocy >0,9). Budując zasilacze o mocy powyżej 80 W, często wykorzystuje się rozwiązania dwustopniowe. W pierwszym stopniu pracuje kontroler współczynnika mocy HiperPFS2, a w drugim sterownik zasilacza HiperLCS działający w układzie przetwornicy rezonansowej. Korzystając z tego połączenia można zaprojektować zasilacze przeznaczone np. do systemów oświetlenia ulicznego lub budynków dostarczających do obciążenia moc ciągłą do około 400 W.

STMicroelectronics

W porównaniu do roku 2015 w ofercie STMicroelectronics nastąpiły ogromne zmiany. Przede wszystkim teraz została ona przeorganizowana i jest bardziej czytelna. Ofertę firmy w zakresie układów do zasilania LED podzielono pod względem konfiguracji, a więc na układy: boost, buck, liniowe, offline (przetwornice izolowane). Na drzewie produktów wyświetlanym na stronie internetowej (http://www.st.com/content/st_com/en/products/power-management/led-drivers.html) pokazano również sterowniki matryc diodowych oraz obszarów świecących, jednak są one poza ramami tego przeglądu.

Skróconego przeglądu oferty firmy STM dokonano w tabelach 12…15. Podano w nich podstawowe parametry układów. Po więcej warto sięgnąć na stronę internetową, która jest wyposażona w wygodny filtr parametryczny. Co ciekawe, oprócz przeorganizowania samej oferty wprowadzono również bardziej czytelne nazwy układów, które niekiedy jednoznacznie sugerują przeznaczenie komponentów (ALED, HVED, LED itp.).

Do aplikacji zasilanych z napięcia sieci energetycznej nadają się również układy zasilaczy z rodziny Viper. Ich aplikacja wymaga niewielu elementów zewnętrznych. Struktura układu zawiera kontroler PWM i tranzystor kluczujący MOSFET.

Texas Instruments

Firma oferuje ogromną liczbę rozwiązań, tym większą, że do własnych rozwiązań dodała te przejęte wraz z firmą National Semiconductor. Oferta firmy zawiera ponad 1200 (!!!) układów przeznaczonych do budowania zasilaczy liniowych i nieliniowych, pracujących w różnych konfiguracjach, w tym na przykład sterowniki mające od 3 aż do 48 kanałów wyjściowych, sterowane za pomocą różnych interfejsów cyfrowych.

Do wyboru rozwiązania zasilacza LED warto posłużyć się programem narzędziowym Webench LED Designer umieszczonym pod adresem https://goo.gl/dCaac3 (rysunek 6). Przy użyciu tego programu można zadać parametry naszej aplikacji, określić światłość diody LED, wybrać spośród proponowanych komponentów różnych producentów, a następnie wyświetlić gotowe rozwiązanie zasilacza. Oczywiście, można przy tym szeregować komponenty zgodnie z różnymi kryteriami (cena, obudowa itp.), skorzystać z oferty tylko wskazanego dostawcy, zamówić zestaw ewaluacyjny i tak dalej. Ponadto, za pomocą narzędzia Power Lab można zaprojektować i wirtualnie przetestować zasilacz dla LED (rysunek 7).

Podsumowanie 

Zaprezentowany przegląd układów nie wyczerpuje wszystkich aspektów i przez szczupłość miejsca mogłem w nim pokazać tylko wybrane parametry. Pominięto w nim produkty mniejszych firm lub firm oferujących jedynie kilka rozwiązań. Nie ma też mikrokontrolerów, które coraz częściej są wyposażane w bloki peryferyjne służące do „inteligentnego” sterowania diodami LED. Mam jednak nadzieję, że będzie pomocną wskazówką dla konstruktora, który będzie poszukiwał rozwiązań do projektowanej aplikacji.

Jacek Bogusz, EP

Bibliografia:

[1] OSRAM Opto Semiconductors, nota aplikacyjna „Comparison of LED Circuits”

[2] Diotec Semiconductor, 2011-02-07, nota aplikacyjna „Cost Effective Driving of Standard LEDs from 10VDC up to 110/230VAC with Current Limiting Diodes”

[3] http://www.candlepowerforums.com/vb/showthread.php?236260-Super-Simple-Power-MOSFET-Linear-Current-Regulator

[4] Elektronika Praktyczna 12/2015 „Układy scalone do zasilania diod LED”

[5] http://www.allegromicro.com/en/Products/Regulators-And-Lighting.aspx

[6] http://www.diodes.com/catalog/LED_Drivers_67

[7] https://www.fairchildsemi.com

[8] https://www.infineon.com/

[9] http://www.linear.com/products/LED_Driver_ICs

[10] https://www.maximintegrated.com/en/products/power/led-drivers.html

[11] http://www.microchip.com/products/

[12] http://www.onsemi.com/PowerSolutions/taxonomy.do?id=16200

[14] https://led-driver.power.com/

[15] https://led-driver.power.com/products/lytswitch-family/

[16] http://www.ti.com/lsds/ti/analog/webench/led.page

[17] http://www.st.com/content/st_com/en/products/power-management/led-drivers.html