Простой драйвер постоянного тока на LM317 и PT4115 для подключения мощных светодиодов

Светодиодный драйвер PT4115

Светодиоды питаются не напряжением, а током, их нельзя напрямую подключить к привычному источнику питания в виде простого блока питания или набора аккумуляторов: светодиод будет светить, но очень быстро деградирует. Для их включения нужно использовать токоограничивающие драйверы. Самый простой токоограничитель — резистор включенный последовательно со светодиодом, вариант получше — линейный стабилизатор LM317 включенный в режиме генератора тока. Но линейные стабилизаторы при использовании мощных светодиодов применять не рекомендуется, т.к. они будут все излишки входного напряжения преобразовывать в тепло. С мощными светодиодами нужно применять специальные импульсные драйверы.

Светодиодный драйвер PT4115

В статье пойдёт речь об одном таком распространённом китайском импульсном драйвере светодиодов PT4115. Напряжением до 30В и током до 1,2А.

Микросхемы и готовые собранные модули на китайских интернет площадках достаточно распространены. Применяют их во всевозможной светодиодной технике средней мощности: светодиодные лампы, небольшие прожекторы, световые установки… Стоимость одной микросхемы примерно 5р, стоимость готового драйвера на основе данной микросхемы примерно 50р (данные актуальны на 4 января 2018, курс доллара примерно 58р).

Характеристики:

Драйвер имеет простую схему включения, это вызвано тем, что силовой ключ уже интегрирован в корпус микросхемы. Минимальная обвязка для включения 4 элемента не считая самого драйвера и светодиода.

Схема 1

Ток задается резисторами R1 и R2. Задание тока двумя резисторами выполнено для увеличение точности, т.к. разнообразие номиналов резисторов ограничено, особенно низко омных. Если получилось подобрать нужный номинал одним резистором то второй устанавливать не нужно. Тепловая мощность выделяемая на одном резисторе при максимальном токе в 1,2А будет примерно 0,12Вт, что меньше 0,25Вт для резисторов типоразмера 1206.

Без использования входа димирования формула расчёта протекающего через светодиод тока будет выглядеть следующем образом:

из которой можем рассчитать сопротивление токозадающего резистора/резисторов.

Напомню, что при параллельном включении резисторов одинакового номинала их сопротивление делиться пополам, а при использовании разных номиналов:

Примеры расчёта резисторов:

В зависимости от тока индуктивность катушки:

Яркостью подключенного светодиода можно управлять несколькими способами используя вход DIMM:

1. Изменением напряжения от 0.3 до 2.5В Формула расчета тока будет выглядеть следующим образом:

где Vdim лежит в диапазоне от 0.5 до 2.5В (во время теста светодиод начал светиться в районе 0.3В), что соответствует 0% и 100% яркости. В диапазоне от 2.5 до 5В яркость будет 100%.

2. Используя переменный резистор сопротивлением примерно до 120 ~ 150 кОм Регулируя сопротивление до 120кОм можно менять яркость от 0 до 100%.

3. ШИМ На вход димирования можно подать ШИМ сигнал напряжением логической единицы от 2.5В до 5В частотой до 50кГц, изменяя скважность которого можно изменять яркость от 0 до 100%. Формула расчёта будет:

где Vpulse напряжение ШИМ сигнала от 0,5 до 2.5В, а D скважность о 0% до 100%.

Схемы управления

Если вывод оставить висеть в воздухе (как на схеме 1) то у подключенного светодиода будет максимальная яркость, а на выводе будет примерно 5В, т.е. его специально подтягивать не нужно. Коммутируя вывод к общему проводу светодиод можно выключать.

Для сборки предлагаю небольшую печатную плату размером 25х16мм. Плата соответствует схеме 1.

Печатная плата

Основой выступает светодиодный драйвер PT4115 в корпусе SOT89-5. Резисторы R1 и R2 типоразмером 1206 сопротивлением по 0.68 Ом задают ток протекающий через светодиод 294мА, ток подбирался под 350мА светодиоды с запасом. 2 амперный диод D1 SS24 был изначально подобран на максимальный рабочий ток драйвера 1.2А, т.к. драйвер работает на значительно меньшем токе его можно заменить на SS14 с током 1А. Индуктивность L1 68мкГн с током 0,9А VLS5045EX-680M размером 5х5х4,5мм, была в наличии. Конденсатор по входу C1 на 100мкФ 35В рассчитан на питание схемы от батарейного или иного другого постоянного выпрямленного и уже сглаженного источника питания напряжением до 30В (максимальное рабочее напряжение драйвера). Что бы питать от переменного источника напряжения (если нужно будет) по входу понадобится поставить диодный мост и добавить ёмкость около 1000мкФ. Вход и выход выполнены PLS2 контактами.

3D вид платы светодиодного драйвера PT4115

Плата светодиодного драйвера PT4115

Подтеки на плате — это один слой защитного лака plastik.

Сборочный чертеж

Это не классический сборочный чертеж выполненный по ГОСТ’у с прилагаемой к нему спецификацией, в таком виде мне удобнее собирать по нему печатные платы для себя, прикрепляю, что бы и Вам было удобнее. Лучше с ним, чем без него. На сборочном рисунке сопротивление токозадающих резисторов отличается от схемы.

Скачать файлы печатной платы для ЛУТ и производства

Статья обновлена 29.08.2018

Alex_EXE | 04.01.2018 | Светотехника |

Микросхема PT4115 от компании PowTech продолжает зарабатывать положительные отзывы среди российских радиолюбителей. Малоизвестному китайскому производителю удалось вместить в компактном корпусе несколько блоков управления с мощным транзистором на выходе. Микросхема разработана для стабилизации тока и питания им светодиодов мощностью более 1 Вт. Драйвер на основе PT4115 имеет минимальную обвязку и высокий КПД. Убедиться в этом и узнать о тонкостях подбора элементов принципиальной схемы поможет данная статья.

Краткое описание микросхемы PT4115

Согласно официальной документации, LED драйвер с функцией диммирования на основе PT4115 обладает следующими техническими характеристиками:

• диапазон рабочего входного напряжения: 6–30В;
• регулируемый выходной ток до 1,2А;
• погрешность стабилизации выходного тока 5%;
• имеется защита от обрыва нагрузки;
• имеется вывод для регулировки яркости и включения/выключения при помощи DC или ШИМ;
• частота переключения до 1 МГЦ;
• КПД до 97%;
• обладает эффективным корпусом, с точки зрения рассеивания мощности.

Назначение выводов PT4115:

1. SW. Вывод выходного переключателя (МОП-транзистора), который подключен непосредственно к его стоку.
2. GND. Общий вывод сигнальной и питающей части схемы.
3. DIM. Вход для задания диммирования.
4. CSN. Вход с датчика тока.
5. VIN. Вывод напряжения питания.

Микросхема PT4115 имеет отдельный вывод для управления включением и выключением светодиодов, а также возможностью регулировки яркости с помощью изменения уровня напряжения или ШИМ на выводе DIM.

Принципиальная схема драйвера

На рисунке представлены две принципиальные схемы драйвера для 3w светодиода на основе PT4115. Первая схема питается источником постоянного тока напряжением от 6 до 30 вольт. Вторую схему дополняет диодный мост, питается она источником переменного тока с напряжением 12-18В.

На выходе диодного моста рекомендуется дополнительно установить конденсатор емкостью 1000 мкФ. Он сгладит колебания выпрямленного напряжения.

Важным элементом обоих схем является конденсатор C_IN. Он непросто сглаживает пульсации, но и компенсирует энергию, накопленную в катушке индуктивности в момент закрытия ключа (МОП-транзистора). Без C_IN индуктивная энергия через диод Шоттки D поступит на вывод VIN и спровоцирует пробой микросхемы по питанию. Поэтому включение драйвера без входного конденсатора категорически запрещено.

Индуктивность L подбирается исходя из количества светодиодов и тока в нагрузке.

Согласно документации, в схеме драйвера для 3 ватного светодиода рекомендуется использовать индуктивность на 68-220 мкГн.

Несмотря на имеющиеся табличные данные, допускается монтаж катушки с отклонением номинала индуктивности в большую сторону. При этом снижается эффективность всей схемы, но схема остается работоспособной. На малых токах индуктивность должна быть больше, чтобы компенсировать пульсации, возникающие из-за задержки при переключении транзистора.

Резистор R_S выполняет функцию датчика тока. В первый момент времени, при подаче входного напряжения ток через R_S и L равен нулю. Затем внутрисхемный CS comparator сравнивает потенциалы до и после резистора R_S и на его выходе появляется высокий уровень. Ток в нагрузке, ввиду наличия индуктивности, начинает плавно нарастать до величины, определяемой R_S. Скорость увеличения тока зависит не только от величины индуктивности, но и от размера напряжения питания.

Работа драйвера основана на переключении компаратора внутри микросхемы, который постоянно сравнивает уровни напряжения на выводах IN и CSN. Отклонение тока через светодиод от расчетного не превышает 5%, при условии монтажа резистора R_S с максимальным отклонением от номинала 1%.

Для включения светодиода на постоянную яркость вывод DIM остаётся не задействован, а ток на выходе определяется исключительно номиналом R_S. Управление диммированием (яркостью) можно осуществляться одним из двух вариантов.Первый способ предполагает подачу на вход DIM постоянного напряжения в диапазоне от 0,5 до 2,5В. При этом ток будет меняться пропорционально уровню потенциала на выводе DIM. Дальнейший рост напряжения, до 5В, не влияет на яркость и соответствует 100% току в нагрузке. Снижение потенциала ниже 0,3В приводит к отключению всей схемы. Таким образом, можно эффективно управлять работой драйвера без снятия напряжения питания. Второй способ подразумевает подачу сигнала с широтно-импульсного преобразователя с выходной частотой 100-20000 Гц.

Конструкция и детали сборки

Выбор элементов, расположенных в обвязке микросхемы PT4115, следует производить на основании рекомендаций изготовителя. В качестве C_IN рекомендуется использовать конденсатор с низким ESR (эквивалентным последовательным сопротивлением). Данный параметр является вредным и негативно влияет на КПД. При питании от стабилизированного источника достаточно одного входного конденсатора ёмкостью не менее 4,7 мкФ, который должен быть размещен в непосредственной близости от микросхемы. При питании от источника переменного тока компания PowTech указывает на необходимость монтажа танталового конденсатора ёмкостью более 100 мкФ.

Типовая схема включения PT4115 для 3w светодиода подразумевает установку катушки индуктивности на 68 мкГн, располагать ее следует максимально близко к выводу SW PT4115.

Катушку индуктивности можно сделать своими руками, используя кольцо из старого компьютера и провод ПЭЛ-0,35.

К диоду D выдвигаются особые требования: малое прямое падение напряжения, малое время восстановления во время переключения и стабильность параметров при росте температуры p-n перехода, чтобы не допустить увеличения тока утечки. Этим условиям отвечает диод Шоттки FR103, способный выдерживать импульсы тока до 30А при температуре до 150°C.

Наконец, самый прецизионный элемент схемы драйвера для 3w светодиода – резистор R_S. Минимальное значение R_S=0,082 Ом, что соответствует току 1,2 А. Его рассчитывают, исходя из необходимого тока питания светодиода, по формуле:

R_S=0,1/I_LED, где I_LED – номинальное значение тока светодиода, А.

В схеме включения PT4115 для 3w светодиода значение R_s составляет 0,13 Ом, что соответствует току 780 мА. В магазинах не всегда можно найти резистор такого номинала. Поэтому придется вспомнить формулы расчета суммарного сопротивления при последовательном и параллельном включении резисторов:

• R_посл=R1+R2+…+R_n;
• R_пар=(R1xR2)/(R1+R2).

Таким образом, можно с высокой точностью получить нужное сопротивление из нескольких низкоомных резисторов.

В заключение хочется ещё раз подчеркнуть важность стабилизации тока, а не напряжения для обеспечения нормальной длительной работы мощных светодиодов. Известны случаи, когда в светодиодах китайского происхождения ток плавно продолжает нарастать в течение некоторого времени после включения и останавливается на значении, превышающем паспортный номинал. Это приводит к перегреву кристалла и постепенному снижению яркости. Драйвер для 3w светодиода на микросхеме PT4115 – это гарантия стабильной светоотдачи в сочетании с высоким КПД при условии эффективного отвода тепла от кристалла.

Основным критерием выбора микросхемы является минимальная обвязка, чтобы «не заморачиваться» с печатной платой, а собрать навесным монтажом. Одним из вариантов такого решение может стать сборка рт4115 микросхема драйвер светодиодов.

Pt4115 datasheet

Pt4115 сочетает в себе массу преимуществ:

• минимальная обвязка;
• большой диапазон входного напряжения (от 8 до 30 В);
• мощность на выходе до 30 Вт;
• регулировка выходного напряжения шим-контроллером;
• доступная стоимость (менее 1 у.е).

Идеально подходит для миниатюрных контроллеров питания автомобильных светодиодов и создания компактных источников LED освещения.

Принцип управления микросхемой pt4115

Индуктивность катушки регулирует выходной ток в диапазоне 0,3 – 1,2 А

Очень удобный калькулятор расчета индуктивности: http://coil32.ru/calc/one-layer.html

Между выводами vin(6) и sw(1) впаиваем стабилитрон на напряжение питания светодиодов. Резистор Rs между vin(6) и csn(4) дополнительно ограничивает выходной ток. Через вход dim(3) можно подать шим-сигнал для модуляции выходного напряжения.

Подача шим-сигнала с амплитудой до 2,5 В (стандартная ТТТЛ 155 логика) на диммирующий вход позволяет плавно регулировать яркость от 0 до 100%.

Важно! Не подавайте входное напряжение без сглаживающего конденсатора С1. Это может вывести из строя микросхему при высокой индуктивности L1 (выше 200 мкГн).

Схемы на pt4115 обеспечивают очень высокую стабильность выходных параметров.

Вариант компоновки схемы для автомобильных светодиодов с током до 1 А (до 12 Вт).

Используемые источники:

• https://alex-exe.ru/radio/light/led-driver-pt4115/
• https://ledjournal.info/shemy/drayver-na-pt4115-dlya-3w-svetodioda.html
• https://svetodiodinfo.ru/texnicheskie-momenty/pt4115-sxema-vklyucheniya.html