Sari la conținut
  • Led-uri si montaje cu led-uri

       (0 recenzii )

    donpetru
    • Daca credeti ca stiati totul despre LED-uri atunci va invit sa cititi articolul urmator unde am adunat cele mai importante informatii utile despre LED-uri. Tot in acest articol am adunat si cateva scheme electronice care se pot folosi la alimentarea LED-urilor.

    1. Ce sunt LED-urile ?

    Un LED (din englez?: light-emitting diode, ?nseamn? diod? emi??toare de lumin?) este o diod? semiconductoare ce emite lumin? la polarizarea direct? a jonc?iunii p-n. Efectul este o form? de electroluminescen??.

    Un LED este o surs? de lumin? mic?, de cele mai multe ori ?nso?it? de un circuit electric ce permite modularea formei radia?iei luminoase. De cele mai multe ori acestea sunt utilizate ca indicatori ?n cadrul dispozitivelor electronice, dar din ce ?n ce mai mult au ?nceput s? fie utilizate ?n aplica?ii de putere ca surse de iluminare. Culoarea luminii emise depinde de compozi?ia ?i de starea materialului semiconductor folosit, ?i poate fi ?n spectrul infraro?u, vizibil sau ultraviolet. LED-urile sunt folosite pentru a oferi lumin? alb? ?i de culoare ?n lanterne, becuri ?i corpuri de iluminat compacte dar ?i ?ntr-o serie mare de dispozitive electronice.

     

    2. Scurt istoric.

    Electroluminescen?a a fost descoperit? ?n anul 1907 de c?tre H. J. Round, folosind un cristal de carbur? de siliciu ?i un detector primitiv dintr-un metal semiconductor. Rusul Oleg Vladimirovich Losev a fost primul care a creat primul LED prin anii 1920. Cercetarea sa a f?cut ?nconjurul lumii, ?ns? nu s-a g?sit nici o ?ntrebuin?are a acesteia timp de c?teva decenii.

    ?n anul 1961, Bob Biar ?i Gary Pittman, au descoperit c? aplic?nd curent unui aliaj din galiu si arsen, acesta emite o radia?ie infraro?ie. Primul LED cu emisie ?n spectrul vizibil (ro?u) a fost realizat ?n anul 1962 de c?tre Nick Holonyak, c?nd lucra la General Electric Company . Un fost student al acestuia, M. George Craford, a inventat primul LED de culoare galben? ?i a ?mbun?t??it factorul de iluminare al Led-urilor ro?u ?i ro?u -portocaliu de circa zece ori ?n anul 1972. P?n? ?n 1968 LED-urile vizibile ?i cele infraro?ii costau foarte mult, aproape 200 de dolari ?i nu puteau fi folosite doar la aplica?ii minore.

     

    Prima corpora?ie care a trecut la fabricarea LED-urilor pe scar? larg? a fost Monsato Corporation, realiz?nd ?n 1968 LED-uri pentru indicare. Acestea au fost preluat de c?tre compania Hewlett Packard ?i integrate ?n primele calculatoare alfanumerice. Primele LED-uri comercializate pe scar? larg? au fost folosite pentru ?nlocuirea indicatoarelor incandescente, ?nt?i la echipamentele scumpe ca cele de laborator ?i de teste, apoi, mai t?rziu, la televizoare, radiouri, telefoane, calculatoare, chiar ?i ceasuri. Aceste LED-uri ro?ii nu puteau fi folosite dec?t pentru indicare deoarece emisia de lumin? nu era suficient? pentru iluminarea unei suprafe?e. ?n decursul anilor s-au descoperit ?i alte culori ale LED-urilor, cu capacit??i mai mari de iluminare.

    Primul LED cu capacitate mare de iluminare a fost realizat de cercet?torul Shuji Nakamura ?n anul 1993 dintr-un aliaj de InGaN. Acesta a fost premiat ?n anul 2006 cu Milennium Technology Prize pentru inven?ia sa.

    In anul 2008, cel mai puternic LED comercializat apar?inea firmei sud-coreene Seoul Semiconductor. Un singur LED din seria Z-Power P7 atinge performan?a de 900 Lumen la 10 Watt, deci o eficien?a de 90 lm/W, echival?nd cu un bec obi?nuit de 75W.

     

    La 12 mai 2010, firma Nexxus Lighting a prezentat cea mai puternica lamp? LED de uz casnic disponibil? pe pia??, cu o eficien?? de 50 Lumen/Watt. Luminozitatea l?mpii Array LED PAR38 este comparabil? cu cea a unui bec obi?nuit/standard de 75 Watt ating?nd 985 Lumen la un consum de numai 18-20 Watt, fiind ?n acela?i timp ?i variabil?.

    La 12 aprilie 2010, firma Toshiba a prezentat prototipul celei mai puternice l?mpi LED de uz casnic ?i industrial, cu o eficien?? de 120 Lumen/Watt.[4]. Luminozitatea l?mpii led este comparabil? cu cea a unui bec obi?nuit/standard de 100 Watt, ating?nd 1690 Lumen.

    La 18 decembrie 2012, firma Cree a prezentat Lampa LED XLamp MK-R cu o eficien?? de 200 Lumen/Watt si cu o dimensiune de 7 x 7 mm.[5]. Luminozitatea l?mpii led este comparabil? cu cea a unui bec incandescent de 120 Watt, ating?nd 1769 Lumen la 15 W ?i 85?C.

     

    3.Simbol. Clasificare. Construc?ie.

     

    3.1 Simbol

    Simbolizarea%20LED-urilor.png

    3.2 Clasificare. Construc?ie.

    Led-uri se ?mpart ?n doua mari categorii:

    a) Led-uri de mic? putere (

    b) Led-uri de mare putere.

    ?n func?ie de tipul constructiv LED-urile se ?mpart ?n:

    a) Led-uri THT (cazul a de mai jos);

    b) Led-uri SMD (cazul b de mai jos);

    c) Led-uri de putere (unul sau mai multe LED-uri SMD de putere mare).

    Clasificarea%20LED-urilor%20(tabel%201).png

    ?n func?ie de num?rul de culori redate deosebim: led-uri simple, bicolore ?i tricolore (cele din urm? mai poart? numele de led-uri RGB).

     

    4. Eficien?a ?i parametrii de func?ionare a LED-urilor

     

    LED-urile indicatoare tipice sunt proiectate s? func?ioneze cel mult cu 30...60 mW de energie electric?. ?n jurul anului 1999, Philips Lumileds a introdus LED-uri de putere capabile s? func?ioneze continuu cu un watt. Aceste LED-uri au la baza semiconductoare de dimensiuni mult mai mari pentru a putea absorbi puteri mari. De asemenea, matri?ele semiconductoarelor au fost montate pe supor?i de metal pentru a permite transferul c?ldurii din matri?a LED-ului.

     

    Unul dintre avantajele cheie ale surselor de iluminat cu LED-uri este eficacitatea luminoas? ridicat?. LED-urile albe se potrivesc rapid ?i au ?nlocuit cu succes sistemele standard de iluminat cu incandescen??. ?n 2002, Lumileds a f?cut LED-uri de cinci wa?i cu o eficacitate luminoas? de 18-22 lumeni per watt (lm/W). ?n compara?ie, un bec cu incandescen?? conven?ional de 60 sau 100 W are o eficien?? de cca.15 lm/W, iar iluminatul fluorescent standard de p?n? la 100 lm/W.

     

    ?nc? din anul 2012, catalogul Lumiled prezenta un tabel cu cele mai eficiente surse de lumin? ?n func?ie de culoare.

    Eficienta%20LED-urilor%20(tabel%202).png

    ?n septembrie 2003 firma Cree a prezentat un nou tip de LED albastru care consuma 24 mW cu un consum de numai 20 miliamperi. Varianta comercial? care producea lumin? alb? cu o eficien?? de 65 lm/W la 20 mA, a devenit la momentul respectiv cel mai str?lucitor LED alb de pe pia?? fiind de patru ori mai eficient ca becurile incandescente standard. ?n 2006, ei au prezentat un prototip de LED alb cu o eficacitate luminoas? de 131 lm/W la 20 mA.

     

    Nichia Corporation a dezvoltat un LED cu o eficacitate luminoas? de 150 lm/W la un curent de 20 mA. Comparativ, LED-urile XLAMP Cree, care au fost disponibile comercial ?ncep?nd cu anul 2011, au o eficien?? de 100 lm/W consum?nd 10W ?i pot urca la 160 lm/W cu numai 2W consuma?i. ?n anul 2012 firma Cree a lansat un LED alb capabil de 254 lm/W.

    Iluminatul general are nevoie de LED-uri de mare putere, de un watt sau mai mult. Curen?i tipici de operare pentru astfel de dispozitive ?ncep de la 350 mA.

    Re?ine?i c? aceste niveluri de eficien?? sunt atinse doar de LED-urile monobloc ?i au putut fi ob?inute la o temperatur? sc?zut? ?ntr-un laborator. Iluminatul func?ioneaz? la temperaturi mai mari ?i cu pierderi pe circuitul de alimentare, astfel ?nc?t eficien?a rezultat? este mult mai mic?. Departamentul de Energie din S.U.A., ?n urma test?ri l?mpilor comerciale cu LED-uri destinate s? ?nlocuiasc? l?mpile cu incandescen?? sau CFL, a ar?tat c? eficacitatea medie ?n anul 2009 a fost de aproximativ 46 lm/W (performan?a LED-urilor testate variind ?ntre 17 lm/W ?i 79 lm/W).

    ?n 3 februarie 2010 compania Cree a emis un comunicat de pres? cu privire la un prototip LED de laborator care are o eficien?? de 208 lm/W, la temperatura camerei. Temperatura de culoare corelat? a fost raportata la 4579 K. ?n decembrie 2012 Cree a emis un alt comunicat de pres? prin care anun?? disponibilitatea comercial? a LED-urilor cu eficien?? de 200 lm/W la temperatura camerei.

     

    5. Durata de via?? ?i rata de defectare

    Dispozitivele solid-state, cum ar fi LED-urile, sunt supuse la o uzura destul de mic? dac? acestea func?ioneaz? la curen?i mici ?i temperaturi sc?zute. Multe dintre LED-urile concepute ?n anii ?70 ?i ?80 sunt ?nc? ?n serviciu ?i la ?nceputul secolului 21. Durata de via?? tipic? a unui LED este ?ntre 25000 ?i 100000 de ore, dar transferul de c?ldur? cu mediu ambiant ?i modul ?n care alegem curentul de func?ionare (vezi pct.8 no?iunea de ILED_OPTIM) poate prelungi sau scurta acest timp ?n mod semnificativ.

     

    6. Culori ?i materiale

    LED-urile conven?ionale sunt realizate dintr-o varietate de materiale semiconductoare anorganice. Tabelul de mai jos prezint? culorile disponibile cu o gam? de lungimi de und?, c?dere de tensiune ?i materiale:

    Proprietatile%20LED-urilor%20in%20functie%20de%20culoare%20(tabel%203).png

     

    LED-uri albastre ?i ultraviolete

     

    LED-urile albastre au la baza un gol din band? semiconductoare realizat? din nitrur? de galiu (GaN) ?i indiu nitrur? de galiu (InGaN). Ele pot fi combinate cu LED-uri ro?ii ?i verzi pentru a produce impresia de lumin? alb?. Modulele care combin? cele trei culori sunt folosite ?n ecrane video mari ?i ?n programe reglabile de culoare (folosind asazisele led-uri RGB).

     

    Primele LED-uri albastre au fost produse ?n 1971 folosind nitrur? de galiu de c?tre Jacques Pankove de la RCA Laboratories. Aceste dispozitive aveau prea pu?in? lumin? pentru a fi de folos ?n practic? iar cercetarea dispozitivelor de nitrur? de galiu (GaN) a ?ncetinit. ?n august 1989, compania Cree a introdus un gol din band? semiconductoare indirect din carbura de siliciu rezult?nd primul LED albastru disponibil comercial. Ledurile din carbura de siliciu (SiC) au avut eficien?? foarte sc?zut?, nu mai mult de cca. 0,03%, dar emiteau ?n por?iunea albastr? a spectrului de lumin? vizibil.

     

    La sf?r?itul anilor 1980 s-au f?cut progrese importante ?n cre?terea epitaxial? ?i ?n doparea cu purt?tori de tip p a nitrurei de galiu fapt ce a condus la lansarea ?n epoca modern? a dispozitivelor optoelectronice bazate pe nitrur? de galiu (GaN). Pornind de la aceast? baz?, ?n 1993 au fost demonstrate LED-uri albastre de ?nalt? luminozitate. LED-urile albastre de ?nalt? luminozitate au fost inventate de Shuji Nakamura de la Nichia Corporation, folosind nitrur? de galiu, fapt ce a revolu?ionat iluminatul cu LED-uri, f?c?nd realizabile surse de lumina de mare putere cu LED-uri.

     

    La sf?r?itul anilor 1990 LED-urile albastre au devenit disponibile pe scar? larg?. Ele au o regiune activ? care const? din unul sau mai multe goluri cuantice din indiu nitrur? de galiu (InGaN) care se afl? ?ntre mai multe straturi groase suprapuse din nitrur? de galiu (GaN), numite straturi de placare. Prin varierea relativ? a raportului In/Ga ?n goluri cuantice de InGaN, emisia de lumin? poate fi teoretic variat? de la violet la chihlimbar. Diverse rapoarte Al/Ga ale aluminiului nitrurei de galiu (AlGaN) pot fi folosite pentru fabricarea tecii ?i a straturilor cuantice pentru LED-urile ultraviolete, dar aceste dispozitive nu au atins ?nc? nivelul de eficien?? ?i maturitate tehnologic? a dispozitivelor albastru/verde din InGaN/GaN. Dac? GaN pur este utilizat ?n acest caz pentru a forma straturile cuantice active, dispozitivul va emite o lumin? aproape ultraviolet? av?nd un maxim de lungime de und? centrat? ?n jurul valorii de 365 nm. LED-urile verzi fabricate folosind sistemul InGaN/GaN sunt mult mai eficiente si mai luminoasa decat LED-uri verzi produse din materiale care nu con?in nitrur?, dar dispozitivele practice ?nc? prezint? randamente prea mici pentru aplica?ii de ?nalt? luminozitate.

     

    Lumina alb?

     

    Exist? dou? moduri principale de a produce diode emi??toare de lumin? de culoare alb? (WLEDs) sau LED-uri care genereaz? lumin? alb? de ?nalt? intensitate. Unul este de a folosi LED-uri individuale care emit cele trei culori primare: ro?u, verde ?i albastru, ?i apoi se amestec? toate culorile pentru a forma lumina alba. Cel?lalt mod const? ?n utilizarea unui material din fosfor pentru a face conversia luminii monocromatice de la un albastru sau UV la LED-uri de lumin? alb? cu spectru larg, ?n acela?i fel ?n care tuburile fluorescente func?ioneaz?.

     

    Exist? trei metode principale de amestecare a culorilor pentru a produce lumin? alb? cu ajutorul LED-urilor:

    - LED albastru + LED verde + LED ro?u (culoarea de amestec, pot fi utilizate ca iluminare de fundal pentru ecrane);

    - ?n apropierea UV sau UV LED + fosfor RGB (LED-uri care produc o lumin? alb? cu o lungime de und? mai mic? dec?t ?n cazul utiliz?rii culorii albastre pentru a excita un fosfor RGB);

    - LED-uri albastre + fosfor galben (dou? culori complementare se combina pentru a forma lumina alba - mai eficiente dec?t primele dou? metode ?i mai frecvent utilizate).

    Din cauza metamerismului (sau schimb?rii culorii unui obiect privit ?n lumini diferite sau cu diverse distribu?ii spectrale de putere), este posibil s? rezulte spectre destul de diferite care apar albe.

     

    Tipuri%20de%20LED-uri.png

    7. Performan?a LED-urilor

     

    Tabelul de mai jos eviden?iaz? parametrii de performan?? pentru trei tipuri de l?mpi analizate ?i o previziune de performan?a a l?mpilor cu LED-uri ?n 2017. Tot ?n cadrul tabelului s-a calculat "durata de via?? total? a l?mpilor". Acest parametru reprezint? fluxul luminos m?surat cumulat pe ?ntreaga durat? de via?? a l?mpii ?i se m?soar? ?n megalumen-ore. Eficien?a luminoas? pentru o lamp? LED din anul 2012 este de 65 lm/W. Ultimul r?nd din tabel este calculat f?c?nd raportul dintre eficien?a luminoas? a celorlalte l?mpi ?i cea a l?mpi cu LED din 2012.

    Impactul scalar al viitoarelor LED-uri este de a?teptat s? fie mai mic din cauz? c? ?n viitor se va ?mbun?t??i performan?a LED-urilor iar proiectan?i vor continua s? caute ?i s? creasc? calitatea materialelor ?i a componentele folosite ?n construc?ia lor.

     

    Parametri%20de%20performanta%20pentru%20cele%20mai%20uzuale%20lampi%20(tabel%204).png

     

    8. Cum controlam LED-urile ?

     

    Diodele emi??toare de lumin? (LED-urile) sunt construite din jonc?iuni semiconductoare PN. C?nd LED-ul este polarizat direct electronii sunt capabili s? se recombine cu golurile din interiorul dispozitivului ?i s? elibereze energie sub form? de fotoni. Curentul care traverseaz? jonc?iunea PN a LED-ului va trebui s? fie limitat ?i influen?eaz? luminozitatea LED-ului.

     

    Stabilirea ?i limitarea curentului se poate face ?n mai multe moduri:

    • folosind un rezistor extern pentru a limita curentul direct prin LED;
    • utiliz?nd o surs? de curent constant pentru a stabili un curent definit ?i stabil prin LED (Constant Current ? CV);
    • un convertor DC-DC ?n mod de voltaj constant (Constant Voltage ? CV).

    Metodele men?ionate anterior vor fi detaliate la punctul 8 din cadrul acestui articol.

     

    8.1 Alimentarea LED-urilor cu ajutorul unui rezistor

    Una din cele mai simple metode prin care putem controla iluminarea unui LED este s? ata??m acestuia un rezistor pentru a limita curentul prin LED la o valoare corespunzatoare (valoare care respect? ?i rezult? indirect din datele de catalog a LED-ului, ?i care asigur? func?ionarea corect? a LED-ului). Dac? acestui circuit ?i ata??m un comutator simplu pentru a opri ?i porni func?ionarea LED-ului rezult? cel mai simplu circuit de alimentare a unui LED (fig.3a).

     

    Alimentarea%20LED-urilor%20cu%20ajutorul%20unui%20rezistor.png

     

    Aten?ie!

    a) f?r? un rezistor sau un a?azis circuit de balast care s? limiteze curentul prin LED la o anumit? valoare, LED-ul se va arde;

    b) plusul bateriei va trebui sa coincida cu traseul electric care face contact cu anodul LED-ului, respectiv minus baterie cu catodul LED-ului;

    c) identificarea terminalelor anod si catod pentru un LED se face ca in figura 4.

     

    Masurarea%20LED-urilor.png

    ?n figura 3b este prezentat cazul ?n care avem mai multe LED-uri identice pe care dorim s? le aliment?m de la o baterie folosind un singur rezistor.

     

    Formulele matematice pentru calcul valorii rezistorului sunt urmatoarele:

    - pentru figura 3a: R1 = (Ubaterie - ULED1)/ ILED1 sau ?in?nd cont de faptul c? avem un sigur LED se poate aplica formula simplificat?: R1 = Ubaterie/ ILED1;

    - pentru figura 3b: R2 = (Ubaterie - ULED2- ULED3- ULED4)/ ILED, unde ILED se va alege astfel ?nc?t s? fie suportat de toate LED-urile ?i va trebui s? asigure func?ionarea corespunz?toare a tuturor LED-urilor. Aceast? schem? se aplic? atunci c?nd toate LED-urile sunt de acela?i tip, deci au acelea?i caracteristici. Spre exemplu, ?n cazul LED-urilor cu diametru de 3mm dar care au culori diferite ? asemenea celor din figura de mai sus ? un curent de 5mA poate asigura func?ionarea corect? a tuturor LED-urilor.

    Aten?ie, nu se recomand? alimentarea LED-urilor aplic?nd solu?ia din fig.3b atunci c?nd avem LED-uri care nu au acelasi ILED_OPTIM.

    ?n cazul LED-urilor obi?nuite de mic? putere, ca cele din figura 2, curentul optim prin led care se recomand? s? se foloseasc? ?n calcule este redat ?n tabelul 5.

    Curentul%20optim%20prin%20LED%20(tabel%205).png

     

    Not?: ILED_MAXIM poate diferi de la un model de LED la altul, respectiv de la o culoare la alta. Se pot g?si ?n catalog valori ILED_MAXIM mult mai mari fa?? de cele prezentate. Re?ine?i, ?n calcule se va folosi ?ntotdeauna valorile din coloana ILED_OPTIM care vor asigura o cadere de tensiune corespunzatoare pe LED pentru func?ionarea corect? a acestuia sau acestora.

    ?n figura 5 este prezentat? o metod? de identificare a tensiuni de func?ionare a LED-urilor (notat? ?n documenta?iile tehnice ?n limba englez? cu VF).

    Masurarea%20tensiuni%20pe%20LED.png

     

    8.2 Alimentarea LED-urilor prin intermediul unei surse de curent constant (CC ? Constant Current) sau unei surse de tensiune constant? (CV ? Constant Voltage)

     

    Am v?zut anterior cea mai simpl? metod? prin care putem alimenta un LED folosind un banal rezistor. Metoda e simpl? dar are un dezavantaj major: datorit? varia?iilor de temperatur? si lu?nd ?n considerare eventuale varia?ii ale tensiuni de alimentare (asta ?n cazul ?n care nu folosim o baterie ci un alimentator cu transformator ?i punte redresoare cu filtru capacitiv), curentul prin LED poate ?nregistra varia?ii considerabile care conduc la mic?orarea duratei de via?? a LED-ului. Pentru a combate acest fenomen s-au conceput mai multe tipuri de circuite care s? asigure la bornele LED-ului un curent constant sau o tensiune constant?.

     

    ?n figura 6 sunt reprezentate grafic func?iile corespunz?toare celor trei moduri de alimentare a LED-urilor: folosind un circuit de voltaj constant (fig.6a), folosind un generator de curent constant (fig.6b) ?i versiunea CC-CV care ?mbin? propriet??ile circuitelor de curent constant cu a celor de tensiune constant?.

    Dup? analiza celor trei grafice din fig.6 va apare cu certitudine o ?ntrebare destul de ?nt?lnit? prin r?ndul dezvoltatorilor de aplica?ii de iluminat cu LED-uri ?i anume: care este cea mai bun? metod? de control a LED-urilor: CC sau CV sau CC-CV ?

     

    Pe parcusul acestui articol voi ?ncerca s? aduc suficiente argumente care s? v? completeze actuala experien?? pentru a lua ?n diverse situa?ii decizia corespunz?toare. Am spus anterior c? LED-urile sunt dispozitive semiconductoare care au nevoie de un anume curent ca s? func?ioneze, atunci sigur o s? v? ?ntreba?i de ce companiile ofer? pentru alimentarea LED-urilor at?t surse de alimentare de curent constant (CC) c?t ?i solu?ii de alimentare de tensiune constant? (CV) ?

    Motivul principal este acela c? companiile vor s? ofere proiectan?ilor suficiente op?iuni prin care ace?tia s? poat? s? optimizeze sistemul de iluminat. ?n cazul ?n care mai multe LED-uri sunt conectate ?n serie, cel mai eficient mod de a le alimenta este s? le conect?m la o surs? de alimentare de curent constant. ?n cazul ?n care LED-urile sunt conectate ?n paralel, ar putea exista o problem? de distribu?ie a curentului prin fiecare LED. O posibil? alternativ? la acest mod de alimentare const? ?n amplasarea unei componente externe sau a unei componente electronice active care s? controleze curentul prin LED. De?i aceast? strategie asigur? acela?i curent prin fiecare LED, metoda conduce la ob?inerea unei solu?ii de iluminat mai pu?in eficient?, fapt ce a condus la evitarea folosirii acesteia pentru un singur LED dar se poate aplica cu succes la mai multe ?iruri de LED-uri conectate serie-paralel.

    Functiile%20de%20control%20a%20LED-urilor.png

    Care este diferen?a dintre o surs? de curent constant (CC) ?i o surs? de tensiune constant? (CV) ?

     

    ?n figura 6 sunt reprezentate cele trei caracteristici a celor trei moduri distincte de func?ionare a sursei de alimentare a LED-urilor. Axa X arat? cre?terea sarcinii, iar axa Y prezint? tensiunea de ie?ire a modulului de alimentare a LED-ului. Linia albastr? reprezint? tensiunea iar linia verde este curentul de ie?ire.

    Pentru ?nceput vom analiza performan?a sursei de alimentare de tensiune constant? (fig.6a). A?a cum sugereaz? ?i denumirea, circuitul red? la ie?ire o tensiune constant? pe m?sur? ce cre?te curentul de sarcin? (simbolizat ?n figur? prin termenul englezesc ?load?). Curentul de sarcin? va putea cre?te p?n? ?ntr-un moment c?nd circuitul va intra ?n modul de limitare de curent, ?n scopul de a preveni deteriorarea circuitului.

    ?n figura 6b este reprezentat? caracteristica unei surse de curent constant. ?n acest caz dac? sarcina ?nregistreaz? varia?ii (cre?te sau scade), curentul va r?m?ne constant.

    ?n figura 6c se prezint? caracteristica unui circuit care combin? dou? moduri de func?ionare. Ini?ial circuitul se comport? ca o surs? de tensiune constant?. O dat? ce curentul maxim admis de sarcin? este atins, bucla de control a circuitului va regla curentul de sarcin? la o valoare constant? reduc?nd concomitent ?i tensiunea de ie?ire. Acest tip de abordare are multe beneficii ?i permite proiectantului s? ating? o eficien?? sporit? folosind solu?ii moderne care au la baz? surse CV-CC. ?n ultima perioad? s-au dezvoltat o sumedenie de tipuri de circuite integrate care folosesc caracteristica din fig.6c, o partea din acestea fiind prezentate ?n cadrul acestui articol.

    Alimentarea%20LED-urilor.png

     

    8.3 Led-uri serie ?i/sau paralel ?

     

    --- Conectarea serie ---

     

    Alimentarea mai multor LED-uri ?n serie evit? o luminozitate inegal? din cauza varia?iei de curent. Deci, toate LED-urile vor vedea acela?i curent pentru a ob?ine acela?i nivel de luminozitate. Tensiunea de ie?ire a driverului va fi egal? cu:

     

    VOUT = VF X n

     

    unde VFeste tensiunea nominal? de func?ionare a LED-ului ?i n este num?rul de LED-uri conectate ?n serie. Spre exemplu, dac? VF = 2V ?i avem 5 LED-uri conectate ?n serie atunci tensiunea de ie?ire a driver-ului de LED-uri va fi 10V. Majoritatea driver-elor de LED-uri sunt convertoare cobor?toare de tensiune de tip DC/DC. Trebuie avut grij? s? se p?streze ?n limite nominale tensiunea de intrare pentru a nu dep??i nivelul de ie?ire peste limita corespunz?toare.

    ?n cazul conect?rii ?n serie a LED-urilor, curentul de ie?ire a driver-ului va fi egal cu:

     

    IOUT = IF;

     

    unde IF este curentul nominal al LED-ului, o dat? foarte important? de catalog. Deci, toate LED-urile conectate ?n serie vor vedea acela?i curent, ?n exemplu nostru voi considera: IF = 30mA.

    Avantajele conect?rii ?n serie a LED-urilor:

    • complexitate sc?zut? a circuitului;
    • fiecare LED vede acela?i curent;
    • eficien?? ridicat? (nu este necesar rezistor de balast).

    Dezavantajele conect?rii ?n serie a LED-urilor:

    • tensiunea de ie?ire a driver-ului poate deveni destul de mare pentru LED-urile conectate ?n serie;
    • pe parcursul duratei de via??, LED-urilor ??i pot modifica ?n mod inegal parametrii de func?ionare, fapt ce conduce la o supra?nc?rcare a unora ?i sub?nc?rcare a altora, fapt ce va cauza defectarea mult mai rapid? a ?irului de LED-uri sau la o luminozitate neuniform?;
    • dac? un LED se defecteaz? se ?ntrerupe luminozitatea ?ntregii conexiuni serie. Un LED scurtcircuitat are un efect redus asupra luminozit??i per ansamblu a circuitului dar poate provoac? supravoltarea celorlalte LED-uri aflate ?n serie, dac? driverul de LED-uri nu este prev?zut cu o reac?ie de curent prin care s? regleze automat tensiunea de ie?ire la valoarea corespunz?toare - men?ionez acest lucru deoarece majoritatea driver-elor de LED-uri realizate cu circuite integrate stabilizatoare liniare de tensiune, dau la ie?ire o tensiune fix?, care nu se regleaz? automat ?n func?ie de curentul nominal consumat de LED-uri. ?n aceast? situa?ie, se poate ?nt?mpla ca la un moment dat tensiunea fix? de ie?ire s? fie prea mare pentru cele n-1 LED-uri r?mase ?n func?iune.

    --- Conectarea paralel ---

     

    S? presupunem c? avem trei r?nduri de LED-uri conectate ?n paralel. Prin fiecare r?nd sau ?ir de LED-uri circul? un curent pe care ?i voi nota cu: IF1, IF2 ?i IF3. Driverul de LED-uri va trebui s? asigure o tensiune de ie?ire constant? egal? cu ns x VF, unde ns reprezint? num?rul de LED-uri dintr-un ?ir. Atunci curentul de ie?ire a driver-ului de LED-uri va trebui s? fie suma curen?ilor care circul? prin cele trei ?iruri de LED-uri conectate ?n paralel, mai exact:

     

    IOUT =IF1 +IF2 +IF3

     

    Dac?: IF1=IF2=IF3=IF, atunci: IOUT = 3 x IF.

     

    Tensiunea de ie?ire a driver-ului va r?m?ne ca cea calculat? ini?ial, adica acei 10V, dac? avem cinci LED-uri conectate ?n serie pe fiecare ?ir cu VF = 2V. Dac? consider?m IF = 30mA atunci curentul de ie?ire a driver-ului va fi 90mA. Deci, prin conectarea ?n paralel a LED-urilor tensiunea de ie?ire poate fi aceea?i ca ?n cazul conexiuni serie dac? avem acelea?i tipuri de LED-uri dar curentul necesar pentru alimentarea lor va cre?te ?n func?ie de c?te ?iruri de LED-uri conect?m ?n paralel.

     

    Avantajul major al utiliz?rii conexiuni paralel a LED-urilor este acel? c? putem folosi un num?r mai mare de LED-uri care dac? s-ar conecta ?n serie ar avea nevoie de o tensiune de alimentare mai mare dec?t cea nominal? de ie?ire a driver-ului de LED-uri. Spre exemplu, dac? limita superioar? de tensiune a unui driver de LED-uri este 28V iar VF = 2V, pe un singur sir putem conecta cel mult 14 LED-uri. Dac? driver-ul are o capabilitate ?n curent mai mare dec?t IF, s? presupunem 0,3, iar IF = 0,03A, asta ?nseamn? c? putem conecta cel mult 0,3/0,03 = 10 ?iruri de LED-uri ?n paralel. Astfel num?rul total de LED-uri conectate la ie?irea unui driver, at?t serie c?t ?i paralel, va ajunge la 14 x 10 = 140 LED-uri.

     

    Cea mai mare problem? a conexiuni paralel este aceea c? diferen?ele mici de toleran?e sau de dispersie de fabrica?ie a componentelor unui circuit pot duce la diferen?e semnificative ?n ceea ce prive?te curentul absorbit de fiecare ?ir de LED-uri. Acest lucru va avea repercursiuni asupra percep?iei intensit??ii culori sau luminozit??i unui LED, ajung?nd p?n? ?n cazuri extreme c?nd defectarea unuia sau mai multor LED-uri s? produc? scoaterea din func?iune a ?ntregului circuit.

     

    Pentru a elimina sau mai bine zis pentru a reduce la minimum consecin?a expus? anterior, ?n serie cu fiecare ?ir de LED-uri se va conecta obligatoriu un rezistor de balast (de echilibrare): RB1, RB2 & RB3, care vor ajuta la compensarea varia?iilor de curent cauzate de diferen?ele tipice VF a LED-urilor. Dezechilibre mici a VF din cadrul unui ?ir de LED-uri conectate ?n serie ar putea provoca o varia?ie semnificativ? a curentului IF prin ?ir. Valoarea tipic? a rezisten?ei de balast este mai mic? de 20 Ohmi. ?n alte situa?ii, pentru a echilibra mai bine curen?ii prin ?irurile conectate ?n paralel ?n loc de un banal rezistor se folose?te un generator de curent constant cu tranzistor sau o oglind? de curent cu tranzistoare. Rezistorii de balast sau de echilibrare din structura generatoarelor de curent constant sau a oglinzilor de curent vor fi folosi?i ?n continuoare pentru a compensa micile varia?i Vbe. Pentru a men?ine curentul constant indiferent de varia?iile de temperatur?, tranzistori folosi?i ?ntr-un asemenea mod vor trebui sa fie ?compensa?i/conecta?i termic?. Montarea lor pe acela?i radiator este o metod? comun? pentru a face acest lucru.

     

    Avantajele conect?ri ?n paralel a LED-urilor:

    • posibilitatea aliment?ri unui num?r mare de LED-uri.

    Dezavantajele conect?ri paralel a LED-urilor:

    • Eficien?? sc?zut?;
    • Cre?terea complexit??i circuitului;
    • Fiabilitate sc?zut?.

    Fiabilitatea sc?zut? este cauzat? de un risc considerabil a apari?iei varia?iilor de curent. Un LED scurtcircuitat va conduce la cre?terea curentului IF prin LED-urile ?n serie func?ionabile r?mase. Un curent crescut va provoca defectarea celorlalte LED-uri din ?ir. Dac? jonc?iunea unui LED se ?ntrerupe, acest lucru va provoca ?ntreruperea func?ion?ri tuturor LED-urilor dintr-un ?ir. Deci, ambele posibile defecte sunt cauza principala care determin? o fiabilitate sc?zut? pentru o asemenea conexiune a LED-urilor.

     

    8.4 Conexiunea matrice

     

    Pentru a ajuta la ?mbun?t??irea fiabilit??ii conexiuni paralel se poate folosi conexiunea matrice unde LED-urile sunt conectate pe laturi de alimentare orizontale ?i verticale. Acest mod de conectare, denumit ?n literatura de specialitate ?i conexiunea ?n cruce, nu este altceva dec?t conectarea unor LED-uri ?n serie ?i paralel. ?n cazul acestei conexiuni, tensiunea ?i curentul de ie?ire necesar este asemenea ca la conectarea ?n paralel a LED-urilor, unde num?rul de LED-uri care pot fi alimentate f?r? a dep??i tensiunea maxim? admis? de driver este mult mai mare ca ?n cazul conect?ri ?n serie a LED-urilor.

     

    Cu toate acestea, conexiunea matrice este ceva mai tolerant? la erori, nu se folosesc rezisten?e de echilibrare pentru func?ionarea ?n paralel iar eficien?a conexiuni este mult ?mbun?t??it?. Totu?i, distribu?ia curentului pe laturile matricii r?m?ne o problem?. O distribu?ie inegal? a curentului (cauzat? de toleran?ele componentelor) poate conduce la diferen?e vizibile de luminozitate. Spre exemplu, diferen?e ale caracteristicilor termice pot cauza o varia?ie de curent care va duce inevitabil la problema semnalat? anterior pe parcursul trecerii timpului.

     

    Un LED scurtcircuitat va determina ca o latur? de alimentare vertical? s? fie scoas? din func?iune iar led-urile r?mase vor continua s? func?ioneze ?n mod normal. Dac? un LED nu este deschis, doar LED-urile r?mase de pe acel r?nd vor putea func?iona. Deci, conexiunea matrice permite un control individual al unui num?r mare de led-uri folosind un driver cu o tensiune de ie?ire mai mic? dec?t ?n cazul folosirii conect?ri serie sau paralel.

     

    8.5 Conexiunea multicanal

     

    De obicei, se recomand? utilizarea conect?rii ?n serie a LED-urilor ori de c?te ori este posibil deoarece acest mod de conectare evit? problemele termice de distribu?ie ?nt?lnite ?n cazul conexiunilor matrice ?i paralel. Conexiunea cea mai robust? const? ?n utilizarea unui driver separat pentru fiecare ?ir de LED-uri sau un a?azis driver multicanal. Acest mod de conectare combina avantajele de fiabilitate a conexiuni serie cu o capabilitate mare ?n curent caracteristic? conexiunilor matrice ?i paralel. Dezavantajul evident ?n cazul unei asemenea abord?ri este cre?terea costurilor ?i a complexit??ii.

     

    9. Circuite de protec?ie

     

    LED-urile sunt dispozitive extrem de fiabile, cu durate medii de viata care se apropie de 50000 ore. De departe cel mai frecvent e?ec este degradarea treptat? a intensit??ii luminoase la 50% din valoarea nominal?.

    Cu toate acestea, apar e?ecuri ?i din cauza stresului mecanic sau a temperaturi, utilizare gre?it?, defecte de ambalare etc. Cel mai comun ?i "catastrofal" e?ec pentru LED-uri este s? se ?ntrerup?. C?nd se ?nt?mpl? acest lucru, dup? cum am v?zut, ?n cazul conexiunii serie se provoac? ?ntreruperea func?ion?ri tuturor led-urilor din ?ir. O cauza frecventa care conduce la apari?ia acestui tip de defect (?led ?ntrerupt?) este aplicarea unei tensiuni mari excesive.

     

    Utilizarea unei surse de curent constant va proteja led-urile de apari?ia defectului descris anterior. Cu toate acestea, componentele pot fi supuse unor sub/supratensiunii care pot fi induse de circuite sau evenimente externe. Astfel, pentru a preveni ?i a elimina fenomenul anterior, ?n paralel cu fiecare led se conecteaz? un dispozitiv de protec?ie (PDX). Aceste dispozitive nu sunt altceva dec?t ni?te comutatoare, care ?n cazul ?n care unul din led-uri nu reu?e?te s? se deschid?, PDX-ul ??i ?nchide contactul pentru a asigura continuitate ?n func?ionare pentru celelalte LED-uri din ?ir. Odat? ?nlocuit LED-ul, PDX-ul se va reseta automat. De obicei, pentru a men?ine costurile la minim, un PDX se conecteaz? ?n paralel pe dou? LED-uri serie.

     

    10. Montaje cu LED-uri

     

    Indiferent de tip, culoare, dimensiune sau de putere, toate LED-urile func?ioneaz? cel mai bine atunci c?nd sunt alimentate printr-o surs? de curent constant. Produc?torii men?ioneaz? caracteristicile LED-urilor, cum ar fi: eficien?a luminoasa, culoarea etc., la un anumit curent (notat cu IF) ?i la o anumit? tensiune de func?ionare (notat? cu VF). Cele mai multe circuite integrate concepute pentru a pilota LED-uri sunt ?n a?a fel realizate ?nc?t s? ofere rezultate bune ?n ceea ce prive?te stabilitatea tensiunii de ie?ire la o gam? variant? de curen?i. Prin urmare, poate fi destul de greu de stabilit care este cea mai bun? metod? de alimentare a LED-urilor pentru o anume aplica?ie. Din start se ?ncearc? evitarea acelei solu?ii prin care fiecare LED s? fie alimentat de o sursa de curent constant, deoarece metoda, ?n aplica?ii care necesit? un num?r mare de LED-uri, devine ineficient? economic. Ca drept urmare, ?n decursul perfec?ion?rii aplica?iilor cu LED-uri s-a ?ncercat s? se adopte acea solu?ie de alimentare care s? duc?: la un num?r minim de surse de curent constant ?i un num?r maxim de LED-uri, coroborat cu un aranjament prin care s? se ob?in? cea mai bun? eficien?? luminoas?. Astfel au ap?rut diverse solu?ii de conectare serie/paralel a LED-urilor, cu dezavantajele ?i avantajele de rigoare, solu?ii pe care le voi enumera mai jos.

     

    10.1 Alimentarea LED-urilor prin generator de curent constant cu tranzistoare

    Una dintre cele mai vechi metode de alimentare a unuia sau mai multe LED-uri este redat? ?n fig.8 de mai jos.

     

    Alimentarea%20LED-urilor%20cu%20ajutorul%20surselor%20de%20curent%20constant%20cu%20tranzistoare.png

     

    10.2 Alimentarea LED-urilor prin generator de curent constant cu LM317

    Alimentarea%20LED-urilor%20cu%20LM317.png

    LM317HV regleaz? ~1,23V ?ntre terminalele ADJ ?i VOUT. Curentul prin LED-uri este dat de rela?ia: ILED = 1,23 / R. Avantajul acestui circuit este acela c? prin men?inerea unui curent constant cu ajutorul controlului voltajului pe rezistorul R, tensiunea la bornele LED-urilor este men?inut? ?i ea constant?.

    ?n cazul circuitului din fig.15, curentul prin fiecare din cele trei ramuri de LED-uri conectate ?n serie este dat de rela?ia: ILED = 0,6 / Rsense.

     

    10.3 LED driver cu LM2941

    Un alt driver similar cu LM317 este LM2941. LM2941 este un regulator de tensiune care permite pe intrare o tensiune de cel mult 26V. LM2941 regleaz? 1,275 V ?ntre terminalele ADJ ?i GND. Figura 16 reprezint? un driver LED cu LM2941 capabil s? furnizeze 354 mA.

    LED%20driver%20cu%20LM2941%20LT3021%20TLE4242.png

    10.4 Led driver cu LT3021

    LT3021 este un alt regulator liniar de tensiune cu un voltaj maxim admis pe intrare de 10V la un curent de 0,5A (fig.17). LT3021 men?ine constant 0,2V ?ntre terminalele ADJ si GND. Curentul prin LED este dat de rela?ia 0,2/R. Daca tensiunea nominal? a LED-ului este 3,6 V, num?rul de LED-uri conectate ?n serie este egal cu doi.

     

    10.5 LED driver cu TLE4242G

    Un circuit integrat care se poate folosi la alimentarea LED-urilor este TLE4242 (fig.18), unde VREF este 177 mV ?ntre pinii ADJ ?i GND. Tensiunea maxim? admis? pe intrare este 42 V. Folosind un rezistor de 5,1 Ohmi curentul prin LED va fi de 34,7mA.

     

    Drivere de LED-uri ?n comuta?ie

     

    Un driver de LED-uri ?n comuta?ie este legat de modul cum func?ioneaz? ?i sunt construite sursele ?n comuta?ie. Regulatorul de tensiune de comuta?ie men?ine o tensiune constant? la diferite sarcini actuale. Deci, sursele ?n comuta?ie destinate s? alimenteze LED-uri pot men?ine un curent constant prin LED-uri la orice c?dere de tensiune pe LED, cu condi?ia ca protec?ia la supratensiune ?i ambalare termic? a sursei s? fie func?ionabil? sau, cu alte cuvinte, s? existe ?n construc?ia sursei.

    C?teva exemple de topologii de surse de alimentare ?n comuta?ie sunt:

    1. BUCK ? unde tensiunea de ie?ire este ?n general mai mic? dec?t tensiunea de intrare;
    2. BOOST ? unde tensiunea de ie?ire este ?n general mai mare dec?t tensiunea de intrare;
    3. BUCK ? BOOST, este o structur? ridic?toare/cobor?toare de tensiune, cu ie?ire inversat?;
    4. SEPIC (single-ended primary inductor converter). Acest convertor imprumuta func?iile convertoarelor buck si boost, cresc?nd sau mic?or?nd tensiunea de ie?ire, chiar dac? la un moment dat tensiunea de intrare poate fi mai mic? dec?t cea de ie?ire. Strategia de comand? permite ob?inerea unei surse cu zgomot mult mai redus, coroborat cu un num?r minim de componente externe.
    5. FLYBACK. O topologie care are la baza func?iile convertoarelor buck ?i boost, dar ?n loc de inductoare con?ine un transformator care izoleaz? galvanic intrare de ie?ire.

    ?nainte de a alege o topologie anume pentru a construi sau alimenta un driver cu LED-uri, v? recomand s? studia?i specifica?iile tehnice ale fiec?rui circuit integrat. ?n aplica?ii care folosesc surse ?n comuta?ie pe post de surs? de tensiune, ?n vederea aliment?ri unuia sau mai multor LED-uri ?n serie, se recomand? ca LED-urile s? fie conectate la ie?irea sursei ?nainte de alimentarea montajului deoarece sursa va avea la func?ionarea ?n gol un voltaj de ie?ire mai mare dec?t tensiunea nominal? a func?ionare a LED-urilor.

     

    10.6 LED driver cu L6902 (fig.14)

    L4902 este un driver de LED-uri, ?n comuta?ie, de tip ?buck?. ?n tabelul 6 de mai jos sunt redate valorile diverselor componente necesare pentru ob?inerea unui anume curent prin LED.

    Valorile%20componentelor%20in%20functie%20de%20curentul%20LED-ului%20(tabel%206).png

    Rezistorii R1 ?i R3 au rolul de a asigura o protec?ie la supratensiune (tipic 23.3V) ?n cazul ?n care se ?ntrerupe, spre exemplu, din cauza defect?ri unui LED, alimentarea tuturor LED-urilor. Dac? tensiunea de operare a unui LED este de 3,6V atunci se pot conecta in serie 6 LED-uri.

    LED%20driver%20cu%20L4902.png

    10.7 LED driver cu L4973

    O alt? topologie de driver ?n comuta?ie buck este prezentat? ?n fig.15, unde tensiunea de intrare este de 48Vcc. ?n acest caz se pot conecta ?n serie cel mult 12 LED-uri cu Vf = 3,6V. Resistori R1, R2 ?i referin?a intern? de tensiune de 5,1 V, reduc reac?ia de tensiune Vfb la 0,5 V.

    LED%20driver%20cu%20L4973.png

    10.8 LED driver cu LTC3783 (fig.16)

    Acest LED driver de tip flyback poate oferi 150 mA la mai multe LED-uri conectate ?n serie. Protec?ia la supratensiune declan?eaz? la 130 V ?i se dezactiveaz? la 120 V. Num?rul de LED-uri ?n serie care pot fi conectate este de: 120/3,6 = 33 LED-uri. Terminalul PWM se poate folosi pentru controlul luminozit??ii LED-urilor conectate ?n serie.

    LED%20driver%20cu%20LTC3783.png

     

    10.9 LED driver cu MAX5035 (fig.17)

    Aceast? topologie buck accept? tensiuni de intrare ?ntre 7,5 ?i 30V. Curentul prin LED-uri este tipic de 350mA iar tensiunea de ie?ire pentru alimentarea LED-urilor este 12V. Se pot conecta ?n serie 3 LED-uri de 3,6V.

    LED%20driver%20cu%20MAX5035.png

    VCONTROL este o tensiune liniar? pentru controlul luminozit??ii LED-ului, prin care se modific? curentul prin LED conform ecua?iei urm?toare:

     

    ILED = [VREF x (R1 + R5) ? VCONTROL x R1]/ (R5 x RP)

     

    Observa?ii:

    • RP este rezisten?a echivalent? paralel a rezistoarelor R2, R3 ?i R4.
    • VREF este tipic 1,22 V.
    • VCONTROL este o tensiune pentru controlul luminozit??ii, implicit a curentului prin LED, care porne?te de la 0 V pentru curentul maxim prin LED ?i poate ajunge la tensiunea maxim? de ie?ire.

    BIBLIOGRAFIE:

    - http://www.energystar.gov

    - http://ro.wikipedia.org/wiki/LED

    - http://www.cree.com/

    - http://www.talkingel...plifier-P2.html

    - Datasheets: LM317HV, LM2941, LT3021, TLE4242G, L6902D, L4973, LTC4930, LTC3783, MAX5035.

    - Maxim AN3668 High-Efficiency Current Drive for High-Brightness LEDs.

    - Maxim AN3639 Design of a Nonisolated, Flyback LED Driver Circuit.



    Recenzie utilizator

    Creează un cont sau autentifică-te pentru a lăsa o recenzie

    Trebuie să fi un membru pentru a putea lăsa o recenzie

    Creează un cont

    Înregistrează-te pentru un nou cont în comunitatea nostră. Este simplu!

    Înregistrează un nou cont

    Autentificare

    Ai deja un cont? Autentifică-te aici.

    Autentifică-te acum

    Nu sunt recenzii de afișat




×

Informații Importante

Folosim cookie-uri și tehnologii asemănătoare pentru a-ți îmbunătăți experiența pe acest website, pentru a-ți oferi conținut și reclame personalizate și pentru a analiza traficul și audiența website-ului. Înainte de a continua navigarea pe www.tehnium-azi.ro te rugăm să fii de acord cu: Termeni de Utilizare.