Светодиоды и драйверы светодиодов

Светодиод управляется током

Вольт-амперная характеристика светодиода — та же экспонента, что у обычного диода: ниже порога ток почти нулевой, выше — растёт очень быстро. У белого Cree XP-E2 при температуре кристалла 85 °C типовое прямое напряжение 2,84 В при 350 мА и 3,12 В при 1000 мА (даташит CLD-DS56, с. 4). Напряжение выросло на 10 %, ток — почти втрое. Поэтому источник напряжения, даже точный, ток не задаёт: в пределах разброса прямого напряжения светодиод может оказаться при одном и том же напряжении и тусклым, и перегруженным.

Второе свойство — прямое напряжение падает с нагревом. Температурный коэффициент у красного Kingbright WP7113ID −1,9 мВ/°C, у синего и белого WP7113QBC/D и WP7113QWC/D −3,0 мВ/°C, у белого XP-E2 −1,5 мВ/°C. Если на светодиод подано фиксированное напряжение, нагрев снижает U_F, ток растёт, кристалл греется сильнее — положительная обратная связь. Источник тока её разрывает: ток задан, а напряжение на светодиоде устанавливается само.

Яркость от тока, наоборот, зависит плавно. У индикаторного WP7113ID сила света почти пропорциональна току: по графику даташита при 20 мА она вдвое больше, чем при 10 мА. У мощного светодиода рост медленнее: белый XP-E2 группы S3 даёт не меньше 156 лм при 350 мА, а при 700 мА — расчётные 267 лм, в 1,7 раза больше при удвоенном токе.

Прямое напряжение и цвет

Прямое напряжение определяется материалом кристалла: в первом приближении чем короче длина волны, тем оно выше. Пять 5-мм светодиодов Kingbright одной серии:

Из таблицы следуют три практических правила:

• Типовое — не гарантированное. Между типовым и максимальным напряжением 0,4–0,7 В, и измерено оно с допуском ±0,1 В. Расчёт резистора проверяют на обоих концах.
• Сравнивают при одном токе. Красный и жёлтый нормированы при 10 мА, остальные — при 20 мА.
• Синим и белым мало 3,3 В. Их прямое напряжение доходит до 4,0 В; как подключить такой светодиод к выводу микроконтроллера через ключ — в схеме подключения светодиода.

Мощный светодиод: что смотреть в даташите

Даташит мощного светодиода устроен иначе, чем у индикаторного: параметры даны при нескольких токах и при горячем кристалле. Пример — белый Cree XP-E2 (CLD-DS56 Rev 25B):

Поток от тока. Если разделить поток на электрическую мощность, получится световая отдача: около 157 лм/Вт при 350 мА (156 лм / 0,99 Вт), около 128 лм/Вт при 700 мА и около 109 лм/Вт при 1 А. Это оценка — поток взят по нижней границе группы, напряжение типовое, — но тенденция однозначная: больший ток даёт больше света, но меньше света на ватт и больше тепла.

Поток от температуры. Cree сортирует белые XP-E2 по потоку при 85 °C, а не при 25 °C, как Kingbright нормирует WP7113, — цифры в таблице уже учитывают горячий кристалл. График на с. 15 построен относительно потока при 85 °C: при 25 °C белый даёт около 112 %, при 100 °C — около 97 %, то есть от 25 до 100 °C поток падает примерно на 14 %. У цветных кристаллов зависимость разная: у красного XP-E2 при 100 °C остаётся около половины потока, который он давал при 25 °C, у янтарного — меньше трети, а у синего поток почти не меняется. Падение обратимо — при остывании свет возвращается, — но высокая температура сокращает срок службы необратимо (Cree, CLD-AP5).

Снижение тока с температурой. График «Thermal Design» на с. 20 даёт допустимый ток в зависимости от температуры воздуха при нескольких тепловых сопротивлениях кристалл — воздух. Для белого при 25 °C/Вт полные 1,5 А допустимы примерно до 35 °C, при 11 °C/Вт — примерно до 100 °C, а к 150 °C все кривые сходятся к нулю. У индикаторного светодиода такой же график есть, только в миллиамперах: у WP7113ID 30 мА допустимы примерно до +25 °C, а к +85 °C — около 5 мА.

Почему светодиоды не соединяют параллельно

Цветные XP-E2 — янтарные, красно-оранжевые, красные, photo red и far red — сортируют по прямому напряжению при 350 мА на группы по общей шкале (с. 28 даташита):

У красного типовое напряжение 2,08 В, максимальное — 2,6 В (с. 4), то есть его экземпляры попадают в разные группы, а группы A–D сами шириной 0,25 В (E — 0,1 В). Оценим, что значит разница 0,25 В для двух светодиодов, включённых параллельно. Типовая ВАХ красного XP-E2 при 25 °C проходит через 1,89 В при 100 мА (график на с. 16), 2,08 В при 350 мА и 2,44 В при 1000 мА (таблица на с. 4). Если сдвинуть её на 0,25 В для второго светодиода и найти общее напряжение, при котором сумма токов равна 700 мА, ток разделится примерно как 550 и 150 мА. Порядок величины даёт и линейная формула: при общем напряжении разность токов ветвей

где r_д — наклон ВАХ (по этим точкам 0,55–0,76 Ом), а R_б — выравнивающий (балластный) резистор в каждой ветви. С балластом 1 Ом токи выходят около 430 и 270 мА, с 2 Ом — около 400 и 300 мА: балласт должен падать заметно больше, чем разброс напряжений, и сам рассеивает мощность. И это оценка без нагрева, а в жизни хуже: светодиод с большим током греется, его напряжение падает (у красного XP-E2 на 1,4 мВ/°C), и он забирает ещё больше тока.

Выводы:

• Светодиоды соединяют последовательно и питают одним источником тока: через все течёт один ток, какими бы ни были их напряжения.
• Если цепочек несколько, каждой нужен свой стабилизатор тока или резистор, на котором падает заметно больше, чем разброс напряжений.
• Параллельно можно включать стабилизаторы тока: в даташите AL5809 так получают больший ток для одной цепочки (рис. 3) — каждый стабилизатор задаёт свою долю.

Резистор

Самый простой способ задать ток — резистор последовательно со светодиодом или цепочкой из n светодиодов:

Пример 1. Жёлтый индикатор от 12 В. WP7113YD, ток 10 мА — при нём нормировано прямое напряжение: 1,95 В тип. и 2,4 В макс.

Ток с номиналом 1,0 кОм — 10,05 мА при типовом светодиоде и 9,6 мА при максимальном напряжении. Если питание гуляет на ±5 % (11,4–12,6 В), ток будет от (11,4 − 2,4)/1000 = 9,0 мА в худшем случае до (12,6 − 1,95)/1000 = 10,65 мА — для индикатора незаметно, и до предельных 30 мА далеко. На резисторе выделяется 0,01² · 1000 = 0,1 Вт — ставят резистор на 0,25 Вт. КПД — 1,95 / 12 ≈ 16 %: остальное уходит в тепло, но при токе 10 мА это всего 0,1 Вт. Номинал и мощность под свои значения считает калькулятор резистора для светодиода.

Когда резистор не годится. Резистор хорош, пока на нём падает большая часть напряжения. Три белых WP7113QWC/D от 12 В на 20 мА: при типовых 3,3 В цепочке нужно 9,9 В, и резистор получается (12 − 9,9)/0,02 = 105 Ом. Но максимальные 4,0 В при 20 мА означают 12,0 В на цепочку — на резистор не остаётся ничего, и 20 мА через такие экземпляры не потечёт. Ток установится там, где сумма напряжений цепочки и резистора равна 12 В; при меньшем токе напряжение светодиода ниже (по ВАХ на с. 3 даташита типовой экземпляр — около 3,0 В при 10 мА и 2,8 В при 5 мА). Даташит даёт максимум только при 20 мА, поэтому точно худший случай не посчитать, но по оценке ток окажется около 9–13 мА — примерно вдвое меньше расчётного. Один и тот же номинал даёт заметно разную яркость в зависимости от экземпляров. Здесь нужен стабилизатор тока или меньше светодиодов в цепочке.

Линейный стабилизатор тока

На транзисторе или операционном усилителе

Классическая схема — транзистор с резистором в эмиттере и опорным напряжением на базе. Напряжение на эмиттерном резисторе равно опорному минус напряжение база — эмиттер, поэтому ток

почти не зависит от напряжения питания и прямого напряжения светодиодов. Тот же принцип — у источника тока на LM317, где ток задаёт резистор между выходом и выводом ADJ; его считает калькулятор LM317 в режиме источника тока. Точнее схема с операционным усилителем: он управляет транзистором так, чтобы напряжение на датчике тока R_S равнялось опорному, и I = U_оп/R_S без погрешности от U_БЭ и её температурного дрейфа. Чем меньше U_оп, тем меньше теряется на R_S.

Цена — та же, что у резистора: всё лишнее напряжение гасится на транзисторе, P = (U_пит − U_LED − IR_S) · I, и КПД равен U_LED/U_пит. Выигрыш не в КПД, а в стабильности тока.

Двухвыводной стабилизатор AL5809

Diodes AL5809 — стабилизатор тока в корпусе диода: включается последовательно с цепочкой, со стороны плюса или минуса, и не требует внешних деталей. Ток задан на заводе вариантом микросхемы: 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 90, 100, 120 или 150 мА (в корпусе SOD-123 — до 50 мА).

Главное ограничение — нагрев: на микросхеме рассеивается (U_пит − U_LED) · I, и даташит прямо оговаривает, что допустимый ток ограничен рассеянием и температурой кристалла не выше 125 °C. Поэтому 60 В и 150 мА одновременно — это 9 Вт, а не рабочий режим. В примере даташита AL5809-20PI (корпус PowerDI123) на 20 мА питает два последовательных светодиода (до 3,25 В каждый, цепочка 6,5 В) от шины 12 В, которая гуляет от 11,4 до 12,6 В: рассеяние — от 98 до 122 мВт. Если пересчитать тот же режим на корпус SOD-123 (наш расчёт по его θ_JA), выйдет 0,122 · 278,42 ≈ 34 °C перегрева кристалла. Для токов в сотни миллиампер и больших запасов напряжения линейный стабилизатор становится грелкой — тогда переходят на импульсный драйвер.

Понижающий драйвер

Импульсный драйвер не гасит лишнее напряжение, а преобразует его: ключ, дроссель и диод работают как понижающий преобразователь, только стабилизируют они не выходное напряжение, а ток через светодиоды. Пример — Diodes AL8860: вход 4,5–40 В, встроенный ключ на 40 В, ток до 1 А в корпусе TSOT25 и до 1,5 А в MSOP-8EP, КПД до 97 %.

AL8860 работает в гистерезисном режиме. Резистор R_S стоит между входом и выводом SET, за ним — светодиоды, дроссель и ключ. Когда ключ открыт, ток дросселя нарастает; как только напряжение на R_S достигает верхнего порога, ключ закрывается, и ток спадает через диод Шоттки. На нижнем пороге ключ открывается снова. Средний ток задаёт R_S:

Средний порог датчика тока V_SENSE — от 96 до 104 мВ, размах тока внутри задан как ΔI = 0,4 · I_LED (гистерезис ±20 %). Времена включения и выключения ключа даташит предлагает оценивать так:

где R_L — сопротивление обмотки дросселя, R_SW — сопротивление ключа (0,3 Ом в этой формуле даташита), V_D — прямое напряжение диода при рабочем токе. Рекомендации к ним: дроссель 33–100 мкГн, время включения не меньше 500 нс (для точности 4 %), заполнение 25–75 %, частота не выше 1 МГц.

Пример 2. Три белых XP-E2 на 700 мА от 24 В.

1. Резистор датчика: R_S = 0,1/0,7 = 0,143 Ом. Ближайший номинал из таблицы даташита — 0,15 Ом, ток 667 мА. С учётом разброса порога — от 640 до 693 мА, плюс допуск самого резистора. Мощность на нём 0,667² · 0,15 ≈ 67 мВт. Для 350 мА то же самое даёт 0,286 Ом, номинал 0,3 Ом и 333 мА.
2. Напряжение цепочки: 3 · 2,99 = 8,97 В (типовое при 700 мА и 85 °C).
3. Дроссель 47 мкГн, ΔI = 0,4 · 0,667 = 0,267 А. Сопротивление обмотки и напряжение диода примем для примера 0,1 Ом и 0,5 В — их берут из даташитов выбранных дросселя и диода.

Частота — около 464 кГц, заполнение — 0,40: всё в рекомендованных пределах. Пиковый ток дросселя 0,667 + 0,267/2 = 0,8 А — ток насыщения дросселя берут больше. От 12 В те же три светодиода дали бы заполнение около 0,78 — за пределом рекомендованных 75 %, так что для 12 В цепочку лучше укоротить до двух светодиодов.

Остальные детали по даташиту: диод — быстрый Шоттки с малой утечкой, рассчитанный на пиковый ток дросселя; входной конденсатор — керамический X7R не меньше 10 мкФ вплотную к микросхеме, как требует таблица выводов (в разделе о выборе конденсаторов типичными названы 4,7–10 мкФ и допускается X5R; Y5V не годится).

Повышающий драйвер для длинных цепочек

Если напряжение цепочки выше напряжения питания — например, подсветка от литиевого аккумулятора, — нужен повышающий драйвер. Texas Instruments TPS61169 работает от 2,7–5,5 В и поднимает напряжение до 38 В. Ток задаёт резистор между цепочкой и общим проводом, на котором микросхема держит 204 мВ (от 188 до 220 мВ):

В примере даташита 10 светодиодов последовательно на 20 мА: R_SET = 0,204/0,02 = 10,2 Ом. Сколько светодиодов поместится в цепочку, считают по максимальному прямому напряжению: у WP7113QWC/D это 4,0 В при 20 мА, и десять штук потребовали бы 40 В — больше допустимых 38 В. Девять дают 36 В плюс 0,2 В на датчике тока; на холоде напряжение ещё растёт (−3,0 мВ/°C), так что девять — предел. Низкий порог нужен, чтобы на датчике тока терялось мало: 0,204 · 0,02 ≈ 4 мВт, тогда как девять таких светодиодов с типовыми 3,3 В потребляют 0,59 Вт. КПД преобразователя — до 90 %.

У повышающей схемы две особенности, которых нет у понижающей:

• Обрыв цепочки опасен. Без нагрузки выходное напряжение растёт. TPS61169 следит за ним: если напряжение на ключе выше порога 36–39 В, а на FB ниже 30 мВ три такта подряд, микросхема выключается до повторного включения выводом CTRL. Диод выбирают с обратным напряжением выше порога защиты.
• Выключенный драйвер не размыкает цепь. От входа к светодиодам остаётся путь постоянного тока через дроссель и диод. Чтобы цепочка в выключенном состоянии не светилась, её минимальное прямое напряжение должно быть больше максимального входного.

Диммирование: ШИМ или ток

Яркость регулируют двумя способами. ШИМ включает и выключает ток с заданным заполнением: средний ток пропорционален заполнению, а сам ток, когда он течёт, — номинальный, поэтому цветность от тока не смещается (меняться она может только вместе с нагревом кристалла). Аналоговое диммирование плавно уменьшает сам ток: свет не модулируется, но при малых токах падает точность, а цветность смещается с током. Для тёпло-белого XP-E2 (CRI 80) это показано на с. 18 даташита: координата x при 100 мА примерно на 0,004 больше, чем при 350 мА.

Частоту ШИМ ограничивает драйвер, а не только глаз. У AL8860 точность на малых заполнениях зависит и от частоты ШИМ, и от частоты переключения: даташит советует для лучшей точности первую снижать, а вторую повышать. У AL5809 предел задают минимальные импульс и пауза по 0,5 мс. При этом у AL5809 и AL8860 ШИМ буквально включает и выключает ток светодиодов, так что свет мерцает с частотой ШИМ на полную глубину — от нуля до номинала. Если модуляция света нежелательна, выбирают драйвер, который превращает ШИМ в постоянный ток, как TPS61169, или аналоговое диммирование.

Температура кристалла и радиатор

Почти все параметры светодиода зависят от температуры кристалла: поток, цвет, прямое напряжение и срок службы. Кристалл недоступен для термометра, поэтому измеряют температуру точки пайки и пересчитывают через тепловое сопротивление из даташита (Cree CLD-AP5, уравнение 7):

Для расчёта радиатора Cree советует считать тепловой мощностью не всю электрическую, а её часть: белые XLamp превращают в свет больше 40 % мощности, но для запаса принимают 25 % в свет и 75 % в тепло (уравнение 1):

Продолжение примера 2. Драйвер даёт 667 мА, но с запасом берём 700 мА: белый XP-E2 потребляет 2,99 · 0,7 ≈ 2,09 Вт; при 5,8 °C/Вт кристалл на 12,1 °C горячее точки пайки. Пусть цель — не выше 85 °C, температуры, при которой нормирован поток, — при воздухе 40 °C. Тогда точка пайки должна быть не горячее 72,9 °C, а тепло трёх светодиодов 3 · 0,75 · 2,09 ≈ 4,7 Вт нужно отвести с тепловым сопротивлением от точки пайки до воздуха не больше (72,9 − 40)/4,7 ≈ 7,0 °C/Вт — на плату, термоинтерфейс и радиатор вместе. Подобрать радиатор под такое сопротивление поможет калькулятор радиатора. Абсолютный предел кристалла XP-E2 — 150 °C, но чем холоднее кристалл, тем дольше светодиод сохраняет поток.

Индикаторы тоже греются: жёлтый WP7113YD из примера 1 рассеивает 1,95 · 0,01 = 19,5 мВт, при тепловом сопротивлении кристалл — воздух 560 °C/Вт это около 11 °C. Перегрев мал лишь потому, что мал ток: тепловое сопротивление 5-мм корпуса в десятки раз больше, чем у XP-E2 (кристалл — точка пайки 380 °C/Вт против 5,8 °C/Вт), поэтому его предельный ток — 30 мА, а не амперы.

Защита

• Обратное напряжение. У WP7113 предел 5 В, у XP-E2 — 1 В (10 В у photo red и far red). Стабилизаторы тоже не терпят переполюсовки: у AL5809 и AL8860 предел обратного напряжения −0,3 В. Если питание можно подключить наоборот, нужна защита от переполюсовки на входе.
• Обрыв цепочки. AL8860 перестаёт переключаться, и перенапряжений не возникает. Повышающий драйвер без защиты поднял бы выход до пробоя — у TPS61169 для этого порог 36–39 В.
• Замыкание цепочки. AL8860 продолжает держать ток, лишнего тепла в микросхеме нет, но заполнение и частота сильно меняются. Линейный стабилизатор при замыкании получает всё напряжение питания и греется; AL5809 при 165 °C отключается. С резистором замыкание части цепочки увеличивает ток: на резисторе остаётся больше напряжения.
• Статическое электричество. Синие и белые InGaN-светодиоды WP7113 выдерживают разряд 250 В по модели тела человека, зелёный WP7113CGCK — 3000 В, красный WP7113ID и жёлтый WP7113YD — 8000 В. С синими, белыми и зелёными Kingbright рекомендует работать с заземлённым браслетом или в антистатических перчатках.

Резистор, линейный стабилизатор или импульсный драйвер

Отдельный класс — адресные светодиоды, у которых управляющая микросхема встроена в корпус: ток и мощность ленты WS2812B считает калькулятор WS2812B. А светодиод внутри оптопары рассчитывают так же, как индикаторный, только с запасом на старение — об этом соседняя статья раздела об оптопарах.

Типичные ошибки

• Параллельные светодиоды на одном резисторе или драйвере. Разброс прямого напряжения даже внутри одной группы превращается в разброс токов в разы.
• Питание мощного светодиода от источника напряжения. У белого XP-E2 ток растёт почти втрое при росте напряжения на 10 %, а нагрев ещё снижает напряжение.
• Резистор с маленьким запасом напряжения. Цепочка «впритык» к питанию светит по-разному с разными экземплярами и при колебаниях питания.
• Расчёт без нагрева. Мощный светодиод без радиатора теряет поток, смещает цвет и быстрее стареет. Температуру кристалла считают по тепловому сопротивлению и проверяют по графику снижения тока.
• Дроссель на средний ток вместо пикового. В примере 2 средний ток 667 мА, а пиковый — 0,8 А; насыщенный дроссель ломает регулирование.
• ШИМ вне диапазона драйвера. AL5809 рассчитан на 100–200 Гц, AL8860 — ниже 500 Гц, TPS61169 — на 5–100 кГц. На чужой частоте пропадает точность на малых заполнениях или появляется слышимый шум.
• Диод повышающего драйвера на напряжение ниже порога защиты. При обрыве цепочки он увидит до 39 В.