Ciąg dalszy - Serwis Elektroniki

Obwody zasilania diod Power-LED
Obwody zasilania diod Power-LED (cz.1)
Karol Świerc
D
iody elektroluminescencyjne wynaleziono ponad
40 lat temu i bardzo szybko zadomowiły się one
w sprzęcie elektronicznym jako „lampki sygnalizacyjne”,
wypierając stosowane wcześniej wszechobecne żaróweczki. Białe diody mocy o dużej luminancji (Power-LED-y) to już bajka czasów współczesnych, osiągnięcie na
miarę patentu Edisona. To bardzo wydajne źródła światła
konkurujące nie tylko z tradycyjną żarówką, ale także z
energooszczędnymi świetlówkami kompaktowymi. Wydaje się, iż właśnie do Power-LED-ów należy przyszłość
energetyki w zakresie oświetlenia, zaś dla serwisów RTV
najbardziej wyrazistym produktem są najnowsze telewizory LCD-LED (nie bardzo słusznie zwane LED-owymi).
Szeroko opisywane na łamach „SE” inwertery, będą traciły
na znaczeniu proporcjonalnie do tego, jak Power-LED-y
będą zastępowały lampy CCFL.
Ten wynalazek kreuje jednakże potrzebę w zakresie
opracowania nowych, sprawnych przetwornic służących do zasilania LED-ów dużej mocy. Tak się składa,
iż charakterystyka prądowo-napięciowa diod nie jest
najszczęśliwsza dla źródła energii jakim jest sieć energetyczna 230VAC. W przypadku zasilania obwodu z
baterii-akumulatora, sytuacja wygląda tylko niewiele
korzystniej. Rozwiązanie problemu, to wyzwanie dla
konstruktorów przetwornic, gdyż nie ma wątpliwości, iż
układy liniowe, nie angażujące obwodów kluczujących,
nie sprostają temu zadaniu. Rozwiązaniom układowym
tychże przetwornic, poświęcony jest niniejszy artykuł. W
bieżącej części chcemy przybliżyć podstawowe informacje oraz klasyczne konfiguracje przetwornic w zasilaniu
bateryjnym. Wyrafinowane układy zasilaczy sieciowych
przedstawimy w artykule odrębnym, który ukaże się jako
kontynuacja niniejszego.
1. Historia i fizyka diod elektroluminescencyjnych
Dioda, to złącze p-n. Kiepska to dioda, bo napięcie przewodzenia spore, napięcie przebicia w kierunku
wstecznym niewielkie, a prądy także nie imponujące. Dioda LED pracuje spolaryzowana w kierunku przewodzenia.
Wykazuje wtedy typową dla diody charakterystykę, jednak
spadek napięcia jest większy aniżeli w typowej diodzie
krzemowej. Zależy to głównie od materiału, z którym
wiąże się szerokość bariery potencjału i w konsekwencji
kolor diody. To typowo 2 do 4V, aczkolwiek rozrzuty są
znaczne i są także funkcją temperatury. Lecz co najważniejsze, dlaczego dioda ta świeci?
Rekombinacja elektronów z dziurami w materiale półprzewodnikowym złącza jest zjawiskiem występującym
we wszystkich diodach. W diodach LED (Light Emitting
Diode) energia uwalniana jest w postaci fotonu. Słynny
wzór Plancka E = h × n wyznacza jednoznacznie kolor
światła. Mimo że daleko diodzie elektroluminescencyj-
nej do lasera, jej zasada działania jest jednak bliższa
temu najbardziej wyrafinowanemu źródłu światła, aniżeli
żarówce w której temperatura włókna jest czynnikiem
emitującym widzialną falę elektromagnetyczną.
O tym, że rozżarzone do wysokiej temperatury ciała
świecą, wiedziano już w starożytności. Wynalazek żarówki, polegający na znalezieniu sposobu, aby włókno
nie uległo natychmiastowemu spaleniu w atmosferze,
jest natomiast autorstwa Thomasa Edisona z 1879 roku.
Pierwsze diody LED pojawiły się w późnych latach 60-tych
kolejnego stulecia. Wielu z nas pamięta je z pierwszych
kalkulatorów. Czerwone, malutkie diody wyświetlacza
siedmiosegmentowego, osadzone głęboko, a przed nimi
„krople” działające jak szkło powiększające, było widać
patrząc jedynie na wprost i w niezbyt jasnym pomieszczeniu. Mimo to, zrobiły one furorę. Jaki to był postęp
względem lamp Nixie, bądź innych konkurencyjnych wyświetlaczy. Niedługo po czerwonych, pojawiły się LED-y
zielone i żółte. Niebieskie, dużo, dużo później. Dopiero
od paru lat konstruktorzy dysponują już pełną triadą RGB
diod elektroluminescencyjnych, a to oznacza, że można
myśleć o w pełni graficznych, dużych wyświetlaczach LED-owych. Diody białe, to też „inna para kaloszy”. Żarówce
trudno było wygenerować światło monochromatyczne,
„zimne” źródła światła mają z kolei problem z pełnym
spektrum światła widzialnego. Fizyka półprzewodników
tłumaczy, iż rekombinacja promienista (z uwalnianiem
cząstki światła – fotonu) zachodzi w złączach spełniających warunek tzw. prostego przejścia rekombinacyjnego.
W języku fizyki kwantowej oznacza to zmianę energii z
zachowaniem pędu (ściślej pseudopędu cząstek ulegających rekombinacji). Warunek ten spełniają złącza wykonane z materiałów półprzewodnikowych, pierwiastków
III i V grupy układu okresowego. Najpopularniejszymi
są: GaAs (arsenek galu) – diody emitujące podczerwień
(ok. 900nm długości fali), GaP (fosforek galu) – diody
czerwone, zielone i żółte, diody niebieskie (l < 500nm)
wykorzystują materiał GaN (azotek galu), choć częściej
są to materiały trójskładnikowe.
W optoelektronice, oprócz kolorowych diod LED (oraz
IR – infrared) furorę robią RGBLED-y (mogące emitować
dowolny kolor lub biel) i HBLED-y (High Brightnes) zwane
także Power-LED-ami.
2. Fizyka i parametry Power LED-ów
Czy biała dioda LED jest biała? Tak faktycznie, spektrum jej światła różni się zdecydowanie od spektrum białego światła słonecznego bądź żarówki. White Power LED-y
wykonywane są na bazie diod niebieskich z domieszką
fosforu emitującego kolor żółty. Mieszanina niebieskiego
i żółtego daje już wrażenie bieli.
Mianem Power (lub High Brightnes) LED-ów określa się
diody o mocach rzędu 1W. Taka dioda jest w stanie emitować
SERWIS ELEKTRONIKI Obwody zasilania diod Power-LED
światło o natężeniu 150 lumenów. Dla porównania, zwykła
żarówka ma sprawność dziesięciokrotnie niższą – 15 lm/W.
Żarówka halogenowa – 18 lm/W, zaś energooszczędna
świetlówka kompaktowa – 70 lm/W energii elektrycznej.
To właśnie sprawność świetlna jest głównym czynnikiem
przesądzającym o tak dużym zainteresowaniu tymi elementami. Także, ponad sprawnością, HBLED-y cechuje dłuższa
żywotność, możliwość kontrolowania „temperatury koloru”, a
także niewielkie rozmiary, co ma szczególne znaczenie np.
w aplikacji podświetlania ekranu OTV LED-owego.
W dalszej części bieżącego punktu zdefiniujemy parametry, którymi należy scharakteryzować źródła światła,
w szczególności Power LED-y.
Chcąc ująć ilościowo parametry oświetlenia, spotykamy się z takimi jednostkami jak luks, lumen i kandela.
Podstawowym parametrem jest strumień luminancji
wyrażony w lumenach (lm). To energia światła wypromieniowana w jednostce czasu we wszystkich kierunkach.
Natężenie oświetlenia (mierzone w kandelach), to już
stosunek strumienia światła do kąta sferycznego w którym
został on wypromieniowany. W jednostkach SI, 1cd = 1lm/
steradian. Jeśli strumień światła oświetla równomiernie
powierzchnię, nie będziemy dzielić go przez kąt bryłowy,
a raczej przez tą powierzchnię. Oświetlenie (iluminancję)
wyrazimy wtedy w luksach. 1lx = 1lm/m2.
Z zależnością kątową punktowych źródeł światła
wiąże się ich charakterystyka radiacyjna. W przypadku
oświetlenia LED-owego jest ona zwykle zdecydowanie
węższa od tradycyjnych żarówek. W zależności od zastosowania, bywa to wadą, bądź zaletą oświetlenia LED-owego. Oczywistym jest, iż w przypadku oświetlenia,
jednym z najistotniejszych parametrów jest jego kolor. W
przypadku światła białego mówi się raczej o temperaturze
koloru. To temperatura hipotetycznego ciała doskonale
czarnego, która spowoduje promieniowanie o założonym
kolorze. Temperatura światła słonecznego, to ok. 5000K.
Dane katalogowe diod elektroluminescencyjnych często
odwołują się do temperatury złącza diody (która nie ma
nic wspólnego z temperaturą koloru). Jedynym wspólnym
mianownikiem jest przesunięcie współrzędnych koloru
(Chromaticity Coordinate Shift), które jest raczej funkcją
prądu diody aniżeli temperatury jej złącza. Istnienie tej zależności stwarza problem w przypadku analogowej regulacji jasności i przemawia za techniką PWM-dimming. Dla
konstrukcji drivera istotna jest temperaturowa zależność
napięcia przewodzenia diody. Jak dla wszystkich diod,
ów temperaturowy współczynnik jest ujemny. Typowo
mieści się w granicach -3 do -5mV/K i zależy od materiału półprzewodnika, z którego złącze jest wykonane.
Obserwuje się także temperaturową zależność natężenia
światła diody LED. Ten współczynnik jest także ujemny,
aczkolwiek spadek intensywności świecenia ze wzrostem
temperatury, nie jest efektem spadku napięcia na złączu,
a raczej sprawności zjawisk fotonowych w półprzewodniku. Inną bardzo ważną zależnością temperaturową
jest średnia żywotność diody, podawana jako funkcja
temperatury, bądź prądu przewodzenia złącza. Jeszcze
inną zależnością, którą podaje katalog, jest charakterystyka prądowo napięciowa diody LED spolaryzowanej w
kierunku przewodzenia.
3. Charakterystyka i zasilanie diod Power-LED
Mimo stosunkowo dużej jasności jednej diody LED,
dla większości aplikacji emituje ona zbyt mało światła,
aby wystarczyła dioda pojedyncza. Zwykle stosuje się
ich całe szeregi (szyki). A w tym momencie pojawia się
dylemat, jak je zasilać? Prądowo czy napięciowo? Czy
lepiej łączyć je w szereg, czy równolegle, lub w jeszcze
inne uporządkowanie?
Dioda „najlepiej się czuje”, gdy jest sterowana prądowo. Wystarczy spojrzeć do dowolnego katalogu, gdzie
wszelkie parametry odniesione są do IF (Forward Current),
nie UF (Forward Voltage). Podawany jest także znamionowy prąd (zwykle wartości 350 mA, 0.7A bądź 1A), zaś
spadek napięcia na złączu jest parametrem wtórnym.
Szeroki zakres tych napięć jest tylko kłopotem. Diody
podczerwone wykazują 1.5V jako UF, czerwone i zielone
– ok. 2V, białe (podobnie jak i niebieskie) – typowo 3.6
do 3.8V. Parametr napięcia UF można kontrolować w
procesie produkcji. Są jednak zwykle ważniejsze powody kontroli innych parametrów, napięcie przewodzenia
pozostaje „jak leci”. Ma to zdecydowane konsekwencje
dla konstrukcji obwodów zasilania.
4. Zasilacze białych diod LED – konfiguracje podstawowe
To co powiedziano w poprzednim punkcie, że dioda
powinna być sterowana prądowo, sugeruje, iż wszystkie
LED-y należy połączyć szeregowo i zasilać ze źródła
prądowego.
„Zwykłe” zasilacze są źródłami napięcia o określonym
zakresie prądu wyjściowego. Tu potrzebujemy zasilacza
prądu dysponującego określonym zakresem napięcia
wyjściowego. Czy to jest jakiś kłopot? Jak przerobić
jeden zasilacz w drugi? Intuicja podpowiada, iż należy
manipulować obwodem sprzężenia zwrotnego. W dalszej
części bieżącego punktu pokażemy, że to prostsze, niż
się na pierwszy rzut oka wydaje. Mimo to, problemy są.
Napięcie przewodzenia jednej diody jest niskie, niewygodnie niskie jak na konstrukcję wielu typowych przetwornic. Mimo to, napięcie szeregu wymaganej ilości diod,
jest zwykle nieakceptowalnie wysokie. Sugerowane tu
problemy należy odnieść do źródła zasilania (energii).
Rozróżnimy dwa zasadniczo różniące się przypadki, kiedy
źródłem tym jest sieć energetyczna bądź bateria-akumulator. Przypadkiem pierwszym, sieci 230VAC zajmiemy się
w odrębnym artykule (zasługuje na osobne opracowanie).
W przypadku akumulatora, będzie istotne jego napięcie
znamionowe i zakres (między akumulatorem w pełni naładowanym oraz rozładowanym). Nieco inaczej sytuacja
będzie wyglądała, gdy mamy do dyspozycji bateryjkę 1.5
lub 3V, inaczej gdy będzie to akumulator samochodowy.
Rozważmy na początek hipotetyczną sytuację, iż
aplikacja (np. latarki LED-owej) wymaga oświetlenia 900
lumenów, co odpowiada światłości żarówki 60W (o sprawności 15lm/W). Z jednej diody typowo pozyskamy 100
lumenów, co oznacza, iż należy zastosować ich 9 sztuk.
SERWIS ELEKTRONIKI Obwody zasilania diod Power-LED
Połączenie wszystkich diod szeregowo zapewnia wysterowanie każdej jednakowym prądem, jednak wymagane
napięcie jest rzędu 30V, co może być trudne dla zasilacza
bateryjnego. Łączenia diod równolegle rozważać nie będziemy, alternatywę taką należy od razu odrzucić. Można
jednak rozważyć połączenie trzech diod w szereg i trzech
trójek równolegle, jak na rysunku 4.1b. Wymagany prąd
3 × IF, wymagane napięcie 3 × UF. Czy taki układ będzie
dobrze pracował, zależy od przypadkowego w gruncie
rzeczy doboru diod. Jeśli nie będzie zbilansowania napięć przewodzenia diod, jeden string weźmie na siebie
więcej prądu, aniżeli sąsiedni. Żywotność diod jest stromą
funkcją prądu zasilania. Nie wystąpi wprawdzie sytuacja,
jak w układzie z rysunku 4.1a, kiedy uszkodzenie jednej
diody spowoduje zgaszenie wszystkich. Jednak, jeśli LED
Driver jest zasilaczem prądowym, zechce on wepchnąć
założony prąd do dwu stringów diod sprawnych. Mimo
iż 3 diody już nie świecą, nie zauważymy być może,
iż luminancja oświetlenia spadła. Zwiększenie prądu
przewodzenia (o 50% względem znamionowego) skróci
jednak zdecydowanie żywot diod pozostałych. Niewątpliwie, z uwagi na same diody LED, najkorzystniejsze jest
rozwiązanie z rysunku 4.1c. 3 odrębne drivery, o prądzie
znamionowym IF i napięciu ok. 10V, zapewnią każdej z
diod należyte wysterowanie. Jest to jednak rozwiązanie
drogie i dlatego rzadko kiedy stosowane.
IF
a/
OUT
+
LED Driver
VO
IN
4.1. Sytuacja, gdy źródło zasilania ma zawsze
wyższe napięcie od spadku napięcia na
„stringu” diod
To jedyny przypadek, kiedy można zastosować zasilacz liniowy. Można także zrezygnować z obwodów
aktywnych zasilania dobierając odpowiedni rezystor,
co jest jednakże możliwe tylko dla wąskiego zakresu
napięć. Mimo daleko posuniętej prostoty będącej zaletą
takiego rozwiązania, wymogi sprawności każą sięgnąć
po przetwornicę.
To także jedyny przypadek, w którym można zastosować
konfigurację buck. To dalej sytuacja najkorzystniejsza, gdyż
buck jest najprostszym rozwiązaniem zasilacza impulsowego. Cechuje go duża sprawność, względnie łatwe warunki pracy klucza, zaś stosowanie wysokich częstotliwości
kluczowania nie wymaga dużych indukcyjności. W sumie,
zasilacz taki jest gabarytami mniejszy od konkurenta liniowego i gwarantuje zawsze lepszą sprawność. Niewątpliwą
wadą jest generacja zakłóceń związanych z kluczowaniem
i konieczność stosowania filtrów EMI. Przykłady rozwiązań
zasilaczy buck przeniesiono do dodatku który zostanie
opublikowany jako oddzielne opracowanie, rysunek 4.2
pokazuje natomiast, jak przekształcić zasilacz stałego napięcia w zasilacz prądu. O wartości napięcia wyjściowego
decyduje feedback. Zakładamy pętlę klasyczną, z wartością
napięcia zadanego, komparatorem, na który podana jest
próbka napięcia wyjściowego poprzez dzielnik rezystancyjny. Nie wnikamy, czy pętla kontroluje prąd przewodzenia
liniowego elementu regulacyjnego, czy PWM klucza. Proste
zastąpienie rezystora RFB2 obwodem, w którym żądamy
stabilizacji prądu oraz odpowiedni dobór drugiego rezystora
sprzężenia zwrotnego załatwia sprawę. Napięcie wyjściowe
nie będzie już parametrem stabilizowanym, dostosuje się
zaś do prądu, którego żąda obciążenie. Problemem nie jest
a/
b/
Stabilizator napięcia
3 × IF
VOUT
OUT
Zasilacz liniowy
lub impulsowy
+
LED Driver
VO
R FB2
FB
IN
VO = VFB
c/
IF
OUT
LED
Driver
IN
IF
OUT
+
VO
LED
Driver
IN
IF
OUT
+
VO
Stabilizator prądu
VOUT
VO
Zasilacz liniowy
lub impulsowy
IN
Rys.4.1. Organizacja szeregu diod z obwodem zasilania
a/ wszystkie diody łączone szeregowo
b/ grupy szeregowo-równoległe
c/ oddzielne drivery dla każdej grupy
VFB
R FB1
+
LED
Driver
Zmienny
prąd
stałe
napięcie
R FB1
R FB1 + R FB2
b/
VO
IF
FB
IF =
V FB
VO
Zmienne
napięcie
stały
prąd
VFB
R FB
R FB
Rys.4.2. Przekształcenie stabilizatora napięcia w stabilizator prądu
SERWIS ELEKTRONIKI Obwody zasilania diod Power-LED
L
a/
sowany w obwodach o wąskiej tolerancji zasilania oraz tam,
gdzie tolerowana jest zmienna częstotliwość pracy układu.
Pętla stabilizacji oparta na histerezie nie wymaga kompensacji, jest z zasady stabilna. Nie wnosi także restrykcji dla
rozwiązania problemu regulacji jasności – dimming control.
Tam, gdzie praca przetwornicy powinna być synchroniczna z innymi obwodami elektroniki, należy zastosować
„poprawną pętlę”, z zegarem, wzmacniaczem błędu i
modulatorem PWM. Tę koncepcję pokazuje rysunek
4.4b. Stosuje się także rozwiązania pośrednie, pracujące
w trybie quasi-hysteretic. Wykorzystują one komparator
z histerezą oraz przerzutnik monostabilny wyznaczający
czas tON klucza. Uzależniając ten czas od UWE, można
minimalizować zakres zmian częstotliwości w funkcji
napięcia wejściowego. To rozwiązanie, także nie wnosi
ograniczeń dla stabilności i nie wymaga kompensacji pętli
ujemnego sprzężenia zwrotnego.
L
a/
HYS
IF
VO
FB
Vref
R FB
LM3401
VIN
NGATE
CO
R FB2
Basic Buck
Controller
L
b/
CO
VIN
FB
R FB1
Clock
VO
GND
VIN
VIN
NGATE
Basic Buck
Controller
GND
CO
IF
+
-
L
LED
Logic
LOOP
COMP
b/
VO
SW
VIN
GND
LED
Logic
VIN
GND
VIN
VO
CO
VIN
+
-
zatem konfiguracja stabilizacji prądu, lecz zakres napięć,
które pozwolą na stabilizację prądu. Dla buck (i liniowego),
zawsze UWE musi być wyższe od UWY.
Buck przekształcony do konfiguracji prądowej nie wymaga kondensatora na wyjściu. Prąd w obciążeniu zachowuje ciągłość, a jego tętnienia są odwrotnie proporcjonalne
do indukcyjności cewki. Producenci diod LED narzucają
dopuszczalne tętnienia tego prądu (zwykle ±5 do ±20%).
Nietrudno obliczyć wymaganą indukcyjność. Dla przykładu.
Zasilanie diody Power LED (o napięciu UF = 3.5V) prądem
1A z przetwornicy zasilanej napięciem 12V, kluczującej z
częstotliwością 0.5MHz, wymaga indukcyjności 50µH (nie
nasycającej się przy prądzie do 1.1A). Złagodzenie warunku
na tętnienia do 30%, pozwala zastosować indukcyjność
10µH. Tętnienia te można z powrotem ograniczyć stosując
jednak niewielkiej pojemności kondensator na wyjściu.
Ceną takiego posunięcia jest jednak zwolnienie dynamiki
pętli sprzężenia zwrotnego. W rezultacie, stosowanie kondensatora wyjściowego w prądowej wersji przetwornicy
buck drivera diod Power LED jest kompromisem między
wielkością (szczególnie cewki), jej ceną, a także dynamiką
układu i zakresem regulacji jasności diod.
Struktura zasilacza buck jest prosta i pokazuje ją
rysunek 4.3.
LED
IF
FB
R FB
Rys.4.3. Zasilacz Buck (Step-Down)
a/ wersja napięciowa
b/ wersja prądowa
Jednak, jak zwykle „diabeł tkwi w szczegółach” i im
chcemy poświęcić jeszcze parę zdań. Pętla feedbacku może
być rozwiązana na kilka sposobów. Najprostsze rozwiązanie
polega na zastosowaniu komparatora z histerezą, po której
będzie „wędrowała” wartość prądu wyjściowego przełożona
na napięcie UFB. To rozwiązanie pokazane na rysunku 4.4a,
obarczone stosunkowo dużymi tętnieniami i zmienną częstotliwością kluczowania. Hysteretic control może być sto-
Vref
LM3405
FB
R FB
Rys.4.4. Rozwiązanie pętli regulacji
a/ w oparciu o histerezę komparatora
b/ układ kluczujący w oparciu o wewnętrzny zegar
Konkludując, rozwiązania pochodne konfiguracji przetwornicy buck, są najbardziej atrakcyjne dla driverów Power LED-ów. Dobrze spisują się w „wersjach prądowych”,
są proste i nie wymagają wielu elementów. Ponadto są
sprawne, tanie i mogą wykorzystywać wiele technik regulacji
skutkujących stabilizacją prądu wyjściowego. Można w nich
zaadoptować dowolną technikę „dimming control” łącznie z
tzw. shunt dimming (zwieraniem obciążenia zewnętrznym
tranzystorem). Regulacja jest szybka, a jej zakres szeroki.
Pochodne zasilaczy buck są najlepszą alternatywą, gdy
„można”, gdy napięcie wejściowe jest zawsze wyższe od
tego, które musi przyjąć wyjście, aby wymusić zadany prąd
w obciążeniu. Często jednak, warunek ten okazuje się trudny
do spełnienia. Jakie rozwiązania stosować w takiej sytuacji?
O tym, dwa następne punkty bieżącego opracowania. }
SERWIS ELEKTRONIKI Dokończenie w następnym numerze