Circuitos de controlador LED de alta potencia

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

pero ... ¿cómo los usas? de donde los sacas

Los LED de alimentación de 1 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 conducir los LED son: (1) una resistencia, o (2) un artilugio electrónico realmente costoso. ahora que los LED cuestan $ 3, ¡se siente mal pagar $ 20 por el dispositivo para manejarlos!

Así que volví a mi libro "Circuitos analógicos 101" y descubrí un par de circuitos simples para controlar los LED de potencia que solo cuestan $ 1 o $ 2.

Este instructable le brindará una descripción detallada de todos los diferentes tipos de circuitos para alimentar los LED grandes, desde resistencias hasta suministros de conmutación, con algunos consejos sobre todos ellos y, por supuesto, le dará muchos detalles sobre mi nuevo Power simple. Circuitos de controlador de LED y cuándo / cómo usarlos (y hasta ahora tengo otros 3 instructables que usan estos circuitos). Parte de esta información también es bastante útil para los LED pequeños.

Aquí están mis otros instructables de LED de alimentación, échales un vistazo para otras notas e ideas

Este artículo es presentado por MonkeyLectric y la luz de bicicleta Monkey Light.

Paso 1: Descripción general / Piezas

Existen varios métodos comunes para alimentar los LED. ¿Por qué tanto alboroto? Todo 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 coloca en aire caliente o frío, y también según el color del LED y los detalles de fabricación.

Por lo tanto, hay varias formas comunes en que los LED suelen estar alimentados, y repasaré cada uno de ellos en los siguientes pasos.


Partes

Este proyecto muestra varios circuitos para impulsar los LED de potencia. Para cada uno de los circuitos, he señalado en el paso correspondiente las partes que se necesitan, incluidos los números de parte que puede encontrar en www.digikey.com. Para evitar mucho contenido duplicado, este proyecto solo discute circuitos específicos y sus pros y contras. Para obtener más información sobre las técnicas de ensamblaje y para averiguar los números de pieza del LED y dónde puede obtenerlos (y otros temas), consulte uno de mis otros proyectos de LED de alimentación.

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

A continuación se muestran algunos parámetros básicos de los LED de Luxeon que utilizará para muchos circuitos. Utilizo las figuras de esta tabla en varios proyectos, así que aquí las pongo todas en un lugar al que puedo hacer referencia fácilmente.

Luxeon 1 y 3 sin corriente (punto de desconexión):
blanco / azul / verde / cian: caída de 2, 4 V (= "voltaje directo de LED")
rojo / naranja / ámbar: caída de 1.8V

Luxeon-1 con corriente de 300 mA:
blanco / azul / verde / cian: caída de 3, 3 V (= "voltaje directo de LED")
rojo / naranja / ámbar: caída de 2.7V

Luxeon-1 con corriente de 800 mA (más de las especificaciones):
todos los colores: caída de 3.8V

Luxeon-3 con corriente de 300 mA:
blanco / azul / verde / cian: caída de 3.3V
rojo / naranja / ámbar: caída de 2.5V

Luxeon-3 con corriente de 800 mA:
blanco / azul / verde / cian: caída de 3.8V
rojo / naranja / ámbar: caída de 3.0V (nota: mis pruebas no están de acuerdo con la hoja de especificaciones)

Luxeon-3 con corriente de 1200 mA:
rojo / naranja / ámbar: caída de 3.3V (nota: mis pruebas no están de acuerdo con la hoja de especificaciones)

Los valores típicos para los LED "pequeños" normales con 20 mA son:
rojo / naranja / amarillo: caída de 2.0 V
verde / cian / azul / morado / blanco: caída de 3.5V

Paso 3: ¡Potencia directa!

¿Por qué no solo conecta su batería directamente al LED? ¡Parece tan simple! ¿Cuál es el problema? ¿Lo puedo hacer alguna vez?

El problema es la fiabilidad, consistencia y robustez. 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 solo conecta su LED a una batería, tiene poca idea de la cantidad de corriente que lo atraviesa. "pero y qué, se iluminó, ¿no?". Claro. dependiendo de la batería, es posible que tenga demasiada corriente (el led se calienta mucho y se quema rápidamente), o muy poco (el led está apagado). El otro problema es que, incluso si el LED es el correcto cuando lo conecta por primera vez, si lo lleva a un nuevo entorno que es más cálido o más frío, se atenuará o se iluminará demasiado y se quemará, porque el LED está muy a temperatura sensible. Las variaciones de fabricación también pueden causar variabilidad.

Entonces quizás leas todo eso y pienses: "¡y qué!". Si es así, siga adelante y conéctese directamente a la batería. para algunas aplicaciones puede ser el camino a seguir.

- Resumen: solo use esto para hacks, no espere que sea confiable o consistente, y espere quemar algunos LED en el camino.

- Un truco famoso que le da un uso excepcional a este método es el LED Throwie.

Notas:

- si está usando una batería, este método funcionará mejor con 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 alimentación 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 resistencia humilde

Este es, con mucho, el método más utilizado para alimentar los LED. Simplemente conecte una resistencia en serie con sus LED.

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 constante y confiable. Si desperdicia menos energía en la resistencia, obtendrá un rendimiento de LED menos consistente.
- debe cambiar la resistencia para cambiar el brillo del LED
- Si cambia significativamente la fuente de alimentación o el voltaje de la batería, 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

¡Encontré dos buenas "Calculadoras LED" que le permitirán ingresar las especificaciones de sus LED y fuente de alimentación, y diseñarán la serie completa / circuito paralelo y resistencias para usted!

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

Cuando use estas calculadoras web, use la Tabla de referencia práctica de datos de LED de alimentación para los números de corriente y voltaje que le pide la calculadora.



Si está utilizando el método de resistencia con LED de alimentación, ¡rápidamente querrá obtener muchas resistencias de potencia baratas! Aquí hay algunos baratos de Digikey: "Yageo SQP500JB" son una serie de resistencias de 5 vatios.

Paso 5: $ reguladores de brujas

Los reguladores de conmutación, también conocidos como convertidores "DC-to-DC", "buck" o "boost", son la forma más elegante de alimentar un LED. lo hacen todo, pero son caros. ¿Qué es lo que "hacen" exactamente? el regulador de conmutación puede reducir o reducir 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 escalón o el escalón.

Pros:
- rendimiento LED constante para una amplia gama de LED y fuente de alimentación
- alta eficiencia, generalmente 80-90% para convertidores de impulso y 90-95% para convertidores reductores
- puede alimentar los LED de fuentes de voltaje más bajas o más altas (aumento o disminución)
- algunas unidades pueden ajustar el brillo del LED
- Las unidades empaquetadas diseñadas para LED de alimentación están disponibles y son fáciles de usar.

Contras:
- complejo y costoso: típicamente alrededor de $ 20 por una unidad empaquetada.
- Hacer el suyo requiere varias piezas y habilidades de ingeniería eléctrica.



Un dispositivo comercial diseñado especialmente para los LED de potencia es el Buckpuck de LED Dynamics. Utilicé uno de estos en mi proyecto de faros de potencia y estuve bastante contento con él. Estos dispositivos están disponibles en la mayoría de las tiendas web de LED.

Paso 6: ¡Lo nuevo! Fuente de corriente constante # 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 LED constante 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 LED adecuado y selección de fuente de alimentación)
- puede manejar MUCHA potencia, 20 amperios o más sin problema.
- "caída" baja - el voltaje de entrada puede ser tan pequeño como 0.6 voltios más alto que el voltaje de salida.
- rango de operación súper amplio: entre 3V y 60V de entrada

Contras:
- debe cambiar una resistencia para cambiar el brillo del LED
- si está mal configurado, puede desperdiciar tanta energía como el método de resistencia
- tienes que construirlo tú mismo (oh espera, eso debería ser un 'profesional').
- el límite actual cambia un poco con la temperatura ambiente (también puede ser un 'profesional').

En resumen: este circuito funciona tan bien como el regulador de conmutación reductor, la única diferencia es que no garantiza una eficiencia del 90%. en el lado positivo, solo cuesta $ 1.


La versión más simple primero:

"Fuente de corriente constante de bajo costo # 1"

Este circuito aparece en mi simple proyecto de luz de potencia.

¿Como funciona?

- Q2 (un NFET de potencia) se utiliza como resistencia variable. Q2 comienza activado por R1.

- Q1 (un NPN pequeño) se usa como interruptor de detección de sobrecorriente, y R3 es la "resistencia de detección" o "resistencia de ajuste" que dispara 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 Q2. Por lo tanto, para obtener la 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. ¡Este es realmente el único inconveniente de este circuito en comparación con un regulador de conmutación reductor!


configurando el actual!

El valor de R3 determina la corriente establecida.

Cálculos:
- La corriente del LED es aproximadamente igual a: 0.5 / R3
- Potencia R3: la potencia disipada por la resistencia es aproximadamente: 0.25 / R3. elija un valor de resistencia al menos 2 veces la potencia calculada para que la resistencia no se caliente.

entonces para 700mA LED actual:
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.


Partes utilizadas:

R1: resistencia pequeña (1/4 vatios) de aproximadamente 100k-ohm (como: serie Yageo CFR-25JB)
R3: resistencia de ajuste de corriente grande (1 vatio +). (una buena opción de 2 vatios es: Panasonic ERX-2SJR series)
Q2: FET de nivel lógico de canal N grande (paquete TO-220) (como: Fairchild FQP50N06L)
Q1: transistor NPN pequeño (paquete TO-92) (como: Fairchild 2N5088BU)


Límites máximos:

NFET Q2 impone el único límite real al circuito fuente actual. Q2 limita el circuito de dos maneras:

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. entonces 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 del LED. (Potencia Q2 = voltios caídos * corriente LED). Q2 solo puede manejar 2/3 vatios antes de que necesite algún tipo de disipador térmico. 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 colocar 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 que 18 V es seguro). Si utiliza un NFET diferente, asegúrese de verificar la calificación "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 que especifiqué anteriormente es una de las NPN menos sensibles térmicamente que pude encontrar. aun así, espere quizás una reducción del 30% en el punto de ajuste actual a medida que pasa de -20C a + 100C. ese puede ser un efecto deseado, podría evitar que su Q2 o LED se sobrecalienten.

Paso 7: Ajustes de fuente de corriente constante: # 2 y # 3

Estas ligeras modificaciones en el circuito 1 abordan la limitación de voltaje del primer circuito. necesitamos mantener la compuerta NFET (pin G) por debajo de 20V si queremos usar una fuente de energía mayor a 20V. Resulta que también queremos hacer esto para que podamos conectar este circuito con un microcontrolador o computadora.

en el circuito # 2, agregué R2, mientras que en el # 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 tiene 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) - más bajo y Q2 no podrá encenderse completamente, más alto y No funcionará con la mayoría de los microcontroladores. Si su voltaje de entrada es inferior a 10 V, cambie R1 por una resistencia de 22 k ohmios, el diodo zener no funciona a menos que haya 10 uA que lo atraviesen.

después de esta modificación, el circuito manejará 60V con las partes enumeradas, y puede encontrar un Q2 de mayor voltaje fácilmente si es necesario.

Paso 8: Un pequeño micro hace toda la diferencia

¿Ahora que? conéctese a un microcontrolador, PWM o una computadora!

ahora tiene una luz LED de alta potencia controlada totalmente digital.

los pines de salida del microcontrolador solo tienen una capacidad nominal de 5.5V, por eso es importante el diodo zener.

si su microcontrolador es de 3.3V o menos, necesita usar el circuito # 4 y configurar el pin de salida de su microcontrolador para que sea "colector abierto", lo que permite que el micro baje el pin, pero permite que la resistencia R1 tire hasta 5V, lo que se necesita para encender Q2 por completo.

si su micro es de 5V, entonces puede usar el circuito más simple # 5, eliminar Z1, y configurar el pin de salida del micro en modo normal pull-up / pull-down: el micro de 5V puede encender Q2 por sí solo .

ahora que tiene un PWM o micro conectado, ¿cómo se hace un control de luz digital? para cambiar el brillo de su luz, debe "PWM": la 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 unas pocas líneas de código en un microcontrolador. para hacerlo usando solo un chip '555', pruebe este circuito. para usar ese circuito, deshazte de M1, D3 y R2, y su Q1 es nuestra Q2.

Paso 9: otro método de atenuación

ok, entonces tal vez no quieras usar un microcontrolador? Aquí hay otra modificación simple en el "circuito # 1"

La forma más sencilla de atenuar los LED es cambiar el punto de ajuste actual. ¡así que cambiaremos R3!

a continuación, agregué R4 y un interruptor en paralelo con R3. entonces, con el interruptor abierto, la corriente se establece con R3, con el interruptor cerrado, la corriente se establece con el nuevo valor de R3 en paralelo con R4, más corriente. así que ahora tenemos "alta potencia" y "baja potencia", perfecto para una linterna.

¿Quizás le gustaría poner un dial de resistencia variable para R3? desafortunadamente, no los hacen en un valor de resistencia tan bajo, por lo que necesitamos algo un poco más complicado para hacerlo.

(Ver circuito # 1 para saber cómo elegir los valores de los componentes)

Paso 10: el controlador analógico ajustable

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 te importe.

La principal diferencia es que el NFET se reemplaza con un regulador de voltaje. el regulador de voltaje reduce el voltaje de entrada de manera muy similar al NFET, pero está diseñado para que su voltaje de salida se establezca mediante la relación entre dos resistencias (R2 + R4 y R1).

El circuito de límite de corriente funciona de la misma manera que antes, en este caso reduce la resistencia a través de R2, bajando la salida del regulador de voltaje.

Este circuito le permite configurar el voltaje en los LED a cualquier valor utilizando un dial o un control deslizante, pero también limita la corriente del LED como antes, por lo que no puede girar el dial más allá del punto seguro.

Utilicé este circuito en mi proyecto de iluminación RGB Color Controlled Room / Spot.

consulte el proyecto anterior para obtener los números de pieza y la selección del valor de resistencia.

Este circuito puede funcionar con un voltaje de entrada de 5V a 28V, y hasta 5 amperios de corriente (con un disipador de calor en el regulador)

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

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

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 usa dos transistores, este circuito tiene:

- Incluso menos piezas.
- "caída" mucho mayor de 2.4V, lo que reducirá significativamente la eficiencia al alimentar solo 1 LED. Si está alimentando una cadena de 5 LED, tal vez no sea tan importante.
- sin cambios en el punto de ajuste actual cuando la temperatura cambia
- menos capacidad de corriente (5 amperios - todavía es suficiente para muchos LED)


cómo usarlo:

La resistencia R3 establece la corriente. la fórmula es: corriente LED en amperios = 1.25 / R3

así que para una corriente de 550 mA, configure R3 a 2.2 ohmios
generalmente necesitará una resistencia de potencia, potencia R3 en vatios = 1.56 / R3

Este circuito también tiene el inconveniente de que la única forma de usarlo con un microcontrolador o PWM es encenderlo y apagarlo todo con un FET de alimentación.

y la única forma de cambiar el brillo del LED es cambiar R3, así que consulte el esquema anterior para "circuito # 5" que muestra la adición de un interruptor de potencia baja / alta.

pinout del regulador:
ADJ = pin 1
OUT = pin 2
IN = pin 3


partes:
regulador: LD1585CV o LM1084IT-ADJ
condensador: condensador de 10u a 100u, 6.3 voltios o mayor (como: Panasonic ECA-1VHG470)
resistencia: una resistencia mínima de 2 vatios (como por ejemplo: Panasonic ERX-2J series)

puede construir esto con casi cualquier regulador de voltaje lineal, los dos mencionados tienen un buen rendimiento general y precio. el clásico "LM317" es barato, pero el abandono es aún mayor: 3, 5 voltios en total en este modo. ahora hay muchos reguladores de montaje en superficie con desconexiones ultra bajas para uso de baja corriente, si necesita alimentar 1 LED de una batería, vale la pena considerarlos.

Paso 12: ¡Jaja! ¡Hay una manera aún más fácil!

Me da vergüenza decir que no pensé en este método yo mismo, lo supe cuando desarme una linterna que tenía un LED de alto brillo en su interior.

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Coloque una resistencia PTC (también conocido como "fusible reiniciable PTC") en serie con su LED. Guau. No hay nada más fácil que eso.
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Okay. Aunque simple, este método tiene algunos inconvenientes:

- El voltaje de conducción solo puede ser un poco más alto que el voltaje del LED "encendido". Esto se debe a que los fusibles PTC no están diseñados para eliminar mucho calor, por lo que debe mantener el voltaje caído a través del PTC bastante bajo. puedes pegar tu ptc a una placa de metal para ayudar un poco.

- No podrá conducir 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 de 500 mA, terminará en cualquier lugar entre 500 mA y 1000 mA, lo que no es seguro para el LED. La única opción segura de PTC es un poco subestimada. Obtenga el PTC de 250 mA, entonces su peor caso es 500 mA que el LED puede manejar.

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Ejemplo:
Para un solo LED con clasificación de aproximadamente 3.4V y 500mA. Conéctese en serie con un PTC de aproximadamente 250 mA. El voltaje de conducción debe ser de aproximadamente 4.0V.

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