Для начала целесообразно рассказать о том, как правильно управлять светодиодом. Многие до сих пор полагают, что достаточно включить светодиод в цепь источника напряжения с балластным резистором и всё. Если необходимо добиться большей яркости – надо уменьшить номинал балластного резистора. Для множества задач данный подход приемлем. Это, как правило, задачи, в которых не требуется высокая яркость светодиода, например, индикатор наличия напряжения питания, или индикатор передачи данных сети.
Устройства, использующие светодиоды в качестве осветительных приборов или приборов с плавной регулировкой яркости требуют иного подхода. Почему это так? Для начала вспомним вольт-амперную характеристику диода (рис 1.). Вольт-амперная характеристика диода (светодиода) – это быстро растущая экспонента. Производители указывают в максимально допустимых параметрах максимально допустимый ток и, иногда максимально допустимое прямое напряжение на диоде. Обратите внимание, величину зазора между зонами гарантированного отказа и гарантированной работы вдоль оси тока и вдоль оси напряжения (рис 1 слева). Что видно? Небольшое превышение тока (например, вызванного помехой) скорее всего не приведёт к попаданию рабочей точки светодиода в зону гарантированного отказа. В то время, как небольшое отклонение напряжения питания вполне может привести к выходу из строя светодиода, в силу близости зон гарантированной работы и гарантированного отказа.
Рис. 1. Слева – ВАХ диода. Справа – ВАХ последовательно соединённого диода с резистором
Попытка решить данную проблему установкой последовательного со светодиодом резистора приводит к предъявлению двух противоречивых требований: с одной стороны, для точного выбора рабочей точки на ВАХ светодиода требуется увеличение номинала резистора, с другой стороны увеличение номинала балластного резистора превращает устройство управления светодиода в печь. Энергия, которую экономит светодиод, расходуя её исключительно на освещение, выделится в виде тепла на его устройстве управления. Собственно говоря, изначальная задача экономичного расходования электроэнергии будет не выполнена.
Ещё одним немаловажным фактором отказа питания светодиодов источником напряжения является нелинейная характеристика светимости относительно величины поданного напряжения. Небольшое отклонение уровня поданного напряжения незамедлительно скажется на уровне светимости. Кому нужен современный светильник, который вместо ровного света мерцает?
Зато всех указанных выше проблем нет, если применять источник тока для питания светодиодов. Есть другая проблема: организация эффективного источника тока. Именно эффективного, т.к. в некотором смысле балластный резистор в схеме питания светодиода напряжением можно считать преобразователем источника напряжения в источник тока, с выделением избыточной энергии в тепло. т.е. неэффективным. Как ни странно, мировая промышленность уже давно решила проблему создания эффективного источника тока. Последние новшества обусловлены лишь уменьшением размеров, добавкой защит, расширением температурного диапазона и т.д. Однако, сам принцип получения стабилизированного тока не изменился. Классика построения источника тока питаемого напряжением выглядит так (рис. 2)
Рис. 2.
Собственно говоря, источником тока в данной схеме является индуктивность L. Сама по себе индуктивность не является источником энергии, поэтому энергию в неё необходимо периодически «закачивать». Для этой цели в схеме присутствует ключ S. Если его замкнуть, то напряжение источника E окажется приложено к выводам индуктивности L. Как следствие, по обмотке катушки L потечёт ток и сердечник катушки начнёт запасать энергию в виде магнитного потока. Объём энергии, которую может запасти индуктивность L – находится в прямой зависимости от объёма сердечника данной индуктивности. Именно поэтому низкочастотные решения требуют больших корпусов пассивных элементов (индуктивностей и ёмкостей). Если разомкнуть ключ S, то ток в контуре L – VD не исчезнет. Причиной тому будет накопленная индуктивностью L энергия, которая будет возвращаться назад в контур в виде электрического тока. В схеме с идеальными компонентами ток будет присутствовать в контуре сколь угодно времени. В реальности – ток будет экспоненциально падать в зависимости от сопротивления нагрузки, энергия индуктивности уйдёт в итоге в работу нагрузки. Для восполнения энергии индуктивности необходимо снова замкнуть на некоторое время ключ S. Таким образом, управляя соотношением времени, когда ключ S замкнут и разомкнут, можно регулировать величину энергии, заключённую в индуктивности L, а значит величиной тока в контуре L – VD. Отметим, что токовая нагрузка может находиться в любом месте контура L – VD.
В заключение добавлю, что большинство проблем и неисправностей электронных устройств связаны с их неправильным питанием. В нашем случае надо помнить, что оптимальное питание светодиодов – токовое. Такая постановка вопроса – решит для вас множество проблем в будущем.
Современные технологии позволяют реализовывать управление питанием светодиодов по принципу представленному на рис.2, одновременно, по множеству каналов. Естественно, что такую возможность производители электронных компонент ввели согласно рыночному спросу. Поскольку в последнее время набирают обороты энергосберегающие технологии, то многоканальность управления освещением имеет большие перспективы. Да, светодиодное освещение даст огромную экономию электроэнергии. Но многоканальное устройство управления освещением может существенно (в разы) уменьшить энергопотребление. Как это достигается? Для примера возьмём освещение дома: имеется несколько зон освещения и датчики присутствия людей. Зачем сильно освещать участки, на которых всё равно никого нет? Более того многоканальность управления освещением, построенная на современной элементной базе позволяет плавно менять освещение зон в соответствии с перемещением человека. Многоканальное управление осветительными приборами даёт так же возможность элементарной реализации резервирования светодиодных элементов.
Теперь рассмотрим конкретный пример реализации многоканального управления освещением на светодиодах (рис. 3).
Рис. 3.
На представленном рисунке, мы видим схему 4-х канального светодиодного освещения. Очевидно сходство со схемой представленной на рис.2: те же индуктивность, диод и ключ. Ключ выполнен на MOSFET – транзисторе. Транзисторы, выполненные по такой технологии, приобрели большую популярность благодаря простоте их применения: управляется малым напряжением, при этом переключает большую мощность. Так же в схеме присутствует батарея резисторов (по одному на канал). Номинал данного элемента составляет доли Ом, поэтому рассеивания значительной мощности источника питания в тепло не происходит. Служит данный элемент для цепи обратной связи. Микроконтроллер сможет корректировать управляющий сигнал по измеренному уровню напряжения на резисторе. На самом деле, цепи обратной связи может и не быть. В этом случае поднимутся требования к питающему напряжению. В качестве элемента управления может выступать практически любой контроллер. Мы остановили свой выбор на семействе STM32 лишь потому, что контроллер имеет всемогущую систему таймеров, что позволяет решить проблему управления MOSFET-ключами на аппаратном уровне, программный код будет минимален (добавлю, что даже простейшие модели семейства STM32 могут аппаратно реализовать более 8-ми каналов освещения). Бонусом к такому выбору послужило то, что скоро появятся контроллеры данного семейства с беспроводным интерфейсом, ну и цена, которая находится на уровне большинства 8-ми разрядных контроллеров.
В заключение, хотелось бы добавить, что «новые технологии упрощают жизнь». Кто-то может возразить, что раньше требовалось вкрутить лампу накаливания в патрон и всё, а сейчас – как минимум не самую простую схему управления к светодиодам – к прибору, который выполняет ту же самую функцию, что и лампа накаливания. Возражение – понятно. Только не нужно забывать, что к классической лампе накаливания нужны провода широкого сечения, доступ воздуха, который будет охлаждать эту лампу, патрон размером с лампу, кондиционер - желателен, для восстановления исходного климата в помещении. Бонусом светодиодного освещения будет регулировка яркости, спектра свечения готового светильника и возможность его адаптации под любой интерьер.