Всем известно, что светодиодные лампы иногда выходят из строя по причине перегорания. Нередко светодиоды перегорают без каких-либо видимых причин. Однако такие причины все-таки существуют и связаны они прежде всего с определенными параметрами светодиодных ламп, для которых требуется обязательная стабилизация. Чаще всего проблема заключается в силе тока самой лампы и падении напряжения в сети. Для решения этой задачи используется линейный стабилизатор тока, основной функцией которого является выравнивание параметров до нужного значения.
Для чего нужен стабилизатор тока
Прежде чем рассматривать линейные стабилизирующие устройства, необходимо уяснить, зачем вообще нужен стабилизатор тока, широко использующийся в электрических и радиоэлектронных схемах.
Основная задача стабилизатора заключается в выравнивании тока до нужных показателей, независимо от скачков сетевого напряжения. Стабилизирующие устройства могут быть линейными или импульсными. Первый тип приборов выполняет регулировку всех параметров на выходе, распределяя мощности пропорционально между собственным сопротивлением и нагрузкой. Второй тип стабилизаторов считается более эффективным, так как в этом случае светодиоды обеспечиваются только необходимым количеством мощности. В основе действия таких устройств лежит принцип широтно-импульсной модуляции.
По всем показателям импульсные стабилизаторы значительно превосходят линейные устройства и тем более стабилизаторы тока на лампах. Они обладают высоким коэффициентом полезного действия, составляющим не менее 90%. Однако импульсные приборы отличаются довольно сложной схемой, что делает их стоимость значительно выше, чем у линейных стабилизаторов. Кроме того, стабилизаторы LM317 могут использоваться только в линейных схемах. Не допускается их включение в цепи с высокими токовыми значениями. Благодаря этим свойствам, линейные стабилизаторы считаются наиболее подходящими для эксплуатации вместе со светодиодами.
Использование стабилизаторов является обязательным из-за специфических особенностей и параметров светодиодов. К одной из них относится нелинейная вольтамперная характеристика, при которой изменяющееся напряжение светодиода вызывает непропорциональное изменение тока. Когда же напряжение начинает увеличиваться, ток в это время возрастает очень медленно и лампочка не светится. После достижения напряжением своего порогового значения, свет начинает излучаться, а ток очень быстро возрастает. При дальнейшем росте напряжения, ток увеличивается еще больше, в результате светодиод сгорает.
Следовательно, для обеспечения нормальной работы светодиодов, они должны быть подключены к источнику питания через стабилизатор тока. С помощью этого устройства происходит выравнивание токов на каждом светильнике, компенсируя, таким образом, разброс порогового напряжения, которое не бывает одинаковым даже у однотипных ламп. В конечном итоге ток поступает на светодиод уже с определенной, заданной величиной.
Простой импульсный стабилизатор тока на транзисторах
Как уже отмечалось, в радиоэлектронике практикуется использование двух типов стабилизаторов линейных и импульсных. Действие линейных стабилизаторов основано на принципе работы резисторов. То есть, ток, протекающий через транзистор, ограничивается таким образом, чтобы значение напряжения в нагрузке оставались на постоянном уровне. Во время этого процесса наблюдаются частичные потери полезной мощности в виде выделения тепла на регулирующем транзисторе. В некоторых случаях эти потери могут быть очень существенными. Например, если входное напряжение составляет 10 вольт, а выходное 2,5 В, то разница, то есть падение напряжения, составит 7,5 вольт. Таким образом, на ненужный разогрев транзистора затрачивается 75% электроэнергии, поступающей от источника питания, а для выполнения полезной работы остается лишь 25%.
Подобные недостатки отсутствуют у импульсных стабилизаторов, выполняющих трансформацию напряжения в ток и обратно. В связи с этим, их КПД находится практически на одном уровне, независимо от значения входного или выходного напряжения и составляет, в среднем, от 80 до 95%. На величину коэффициента оказывает влияние используемая схема, качество и характеристики комплектующих. Высокий КПД дает значительное облегчение для теплового режима стабилизатора. Его компоненты не подвержены заметному нагреву, а вместо громоздких теплоотводных радиаторов используются миниатюрные детали. Те 75% энергии, которая в линейных стабилизаторах уходит в тепло, здесь превращаются в дополнительный электрический ток, согласно закона сохранения энергии.
Таким образом, импульсные преобразователи представляют собой эффективные и экономичные устройства, называемые также ключевыми преобразователями или конвертерами. Прокачка мощности внутри прибора осуществляется импульсами, каждый из которых выглядит как установленная порция энергии. Все устройства, работающие в нормальном режиме, непрерывно потребляют мощность. Ее передача происходит непрерывно между входом и выходом, после чего она поступает в нагрузку.
Следует отметить, что стабилизаторы тока и напряжения, использующиеся в электрических схемах, работают по одному и тому же принципу. Основное отличие заключается в том что в первом варианте контролируется ток через нагрузку, а во втором напряжение на нагрузке. При снижении тока в нагрузке, с помощью стабилизатора выполняется подкачка мощности. Если же ток увеличивается, то мощность снижается. За счет этого можно создавать стабилизирующие устройства для светодиодов любой мощности.
Наиболее распространенные схемы оборудуются дросселем. От входа на него поступают определенные порции энергии, которые далее передаются на нагрузку. Подобные передачи происходят с помощью коммутатора или ключа, находящегося во включенном или выключенном состоянии. В первом случае через ключ с незначительным сопротивлением проводится ток, а значение выделяемой мощности становится близко нулю. Во втором, когда коммутатор выключен, отсутствует прохождение тока и выделение мощности. Подобная коммутация позволяет передавать энергию без потерь мощности. Тем не менее, импульсные токи относятся к категории нестабильных и для их выравнивания требуется использование специальных фильтров.
К основным недостаткам импульсных стабилизаторов относится сложность конструкции и создание электрических и электромагнитных помех. Однако, несмотря на довольно высокую стоимость, эти устройства очень популярны среди потребителей.
Линейный стабилизатор тока для светодиодов
С помощью стабилизирующих устройств линейного типа выполняется выравнивание тока, проходящего через светодиод, до необходимого значения. Полученное значение тока не зависит от напряжения, прилагаемого к схеме. Ток будет оставаться без изменений, даже в случае превышения напряжением порогового уровня. В случае дальнейшего общего роста напряжения, оно возрастет лишь на стабилизаторе тока, а в светодиоде останется без изменений.
Следовательно, если параметры светодиода остаются неизменными, схема линейного стабилизатора тока будет одновременно стабилизировать и его мощность. Активная мощность, выделяемая в виде теплоты, распределяется между светодиодом и стабилизатором в соответствии с напряжением на каждом из этих элементов. Линейный стабилизатор нагревается постепенно по мере роста напряжения, приложенного к нему. Это и есть основной недостаток данного устройства. Преимуществами линейной конструкции считается простая схема, низкая стоимость и отсутствие электромагнитных помех.
Во многих областях применение линейного стабилизатора тока будет гораздо эффективнее, чем использование импульсного устройства. Особенно это касается тех случаев, когда входное напряжение лишь незначительно превышает напряжение светодиода. При питании от обычной сети схема может быть дополнена трансформатором, к выходу которого подключен линейный стабилизатор.