Τετάρτη 16 Ιανουαρίου 2019

Led drivers , θεωρία και πράξη



Power Led drivers , θεωρία και πράξη
H φωτοεκπέμπουσα δίοδος LED συμπεριφέρεται σαν δίοδος Zener , δηλαδή ξεκινάει να άγει από μία συγκεκριμένη τάση και πάνω και το ρεύμα που την διαρρέει αυξάνεται εκθετικά σε πολύ μικρούς βηματισμούς από το κατώφλιο τάσης αγωγιμότητάς της.
Επίσης η τάση λειτουργίας της δεν πρέπει ούτε στιγμιαία να είναι υπερδιπλάσια της δεδηλωμένης από την εταιρεία οπότε λαμβάνοντας τα παραπάνω υπ’ όψιν μας για να οδηγήσουμε ένα
Led από πηγή σταθερής τάσης μπαταρία/τροφοδοτικό πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ένα κύκλωμα οδήγησης που θα ‘χει σαν  πρώτο χαρακτηριστικό το σταθερό ρεύμα εξόδου και σαν δεύτερο τον περιορισμό τάσης εξόδου (ή σταθεροποίηση) , ειδικά για τα μικρής ισχύος LED που ‘ναι πιο ευάλωτα στις υπερτάσεις.
Εδώ θα ασχοληθούμε με τα κυκλώματα οδήγησης φορητών συστημάτων με μπαταρίες όπως τους φακούς
Led.

Οι τύποι αυτών των
Drivers είναι :
- Για τα 3 βολτ μονά ή παράλληλα
Led που τροφοδοτούνται από μία (ή περισσότερες εν σειρά) Li-Ion 3,7V είναι ο τύπος Buck Driver που λειτουργεί αποκλειστικά σαν περιοριστής ρεύματος στην τιμή που απαιτείται ώστε το LED να αποδώσει τα ζητούμενα του σχεδιαστή του φακού , φωτεινότητα & πυκνότητα , το κύκλωμα αυτού του driver είναι ευρέως γνωστό και δεν θα αναφερθώ.
Υπάρχουν 2 ακόμη τύποι drivers που έχουν υοθετήσει εταιρείες φθηνών φακών και χρησιμοποιούνται μόνο στα 3 βολτα Led με μονή μπαταρία Li-Ion.
α) Χρήση αναλογικών πηγών ρεύματος όπως
AMC7135/36 350-450mA αντίστοιχα που συνδέονται παράλληλα και δίνουν το ρεύμα του γινομένου του αριθμού τους πχ 4-16 x AMC7135.
Τα modules αυτά δεν είναι παλμικά κυκλώματα παρά μειώνουν την τάση εξόδου με εσωτερικό συγκρητή της πτώσης τάσης στα 350mA και απλά μειώνουν την αγωγιμότητα του εσωτερικού τους mosfet , με επακόλουθο την αναλογική κατανάλωση του περίσσιου ρεύματος πάνω σε αυτό , οπότε έχουμε μεγάλες απώλειες ειδικά άν η διαφορά τάσης εισόδου-εξόδου ξεπεράσει τα 0,5 Volt.
β) Εκμεταλευόμενοι κάποιοι άλλοι κατασκευαστές τα υψηλά VF κάποιων Led πχ Cree XPL Hi και το γεγονός ότι μία μπαταρία Li-Ion ακόμα και μεγάλης ισχύος στα 5-6Α κατανάλωσης η τάση τους θα πέσει στα 3,8V , έχουν σκεφτεί κάποιους
"Μαιμουδιάρικους" φθηνούς drivers με mosfet που δουλεύει σαν διακόπτης και απλά συνδέει την μπαταρία κατευθείαν με το LED , και μάλιστα κάποιοι άλλοι προτείνουν χρήση μπαταριών με προστασία για να μην καεί το χαμηλότερου Vf Led που έχουν χρησιμοποιήσει στο φακό τους ...

- Για τα 6 βολτ
Led που τροφοδοτούνται από 2 εν σειρά Li-Ion στα 7,4V και εδώ χρησιμοποιείται  ο τύπος Buck Driver που λειτουργεί αποκλειστικά σαν περιοριστής ρεύματος στην τιμή που απαιτείται ώστε το LED να αποδώσει τα ζητούμενα του σχεδιαστή του φακού , φωτεινότητα & πυκνότητα , και το κύκλωμα αυτού του driver είναι επίσης ευρέως γνωστό και εδώ οι προηγούμενες μαιμουδιές δεν μπορούν να γίνουν.
Τελευταία χρησιμοποιείται η τεχνική PWM direct mosfet , μαιμουδιάρικη μέν αλλά αναγκαία όταν δεν υπάρχει χώρος για τα πηνία ισχύος και flyback διόδων που απαιτούνται.
Ένα XHP70.2 6
V πχ μπορεί να τροφοδοτηθεί κατευθείαν με mosfet το οποίο στην turbo σκάλα αντί για καθαρή DC ένωση , δίνεται PWM με duty cycle 90-94% προ-τοποθετημένο στον πραγραμματισμό του PIC controller ώστε το συνολικό ρεύμα rms που δίνεται στο XHP70.2 να είναι overdrive στα 15Α και να μπορεί να αποδώσει 8000 lumen για μερικά λεπτά.

- Για τα 12/18 βολτ
Led , εδώ αλλάζουν τα πράγματα γιατί τροφοδοτούνται συνήθως από 2 Li-Ion μπαταρίες 7,4 volt και απαιτείται ειδικός boost / step-up driver που ανυψώνει την τάση και ταυτόχρονα διαθέτει και περιοριστή ρεύματος με τιμή την ζητούμενη του Led στα 12-18 volt που θα παραχθούν από τον driver και στη σωστή σχεδίαση απαιτείται και περιοριστής τάσης γιατί σε μικρές σκάλες λειτουργίας που θα καθορίσει ο PWM οδηγός microcontroller του φακού πχ στο 10% ο περιοριστής ρεύματος θα εκλάβει ως maximum το ρεύμα που είναι προ-τοποθετημένος και η τάση στο 10% του παλμού θα ‘ναι πολλές φορές υψηλότερη της τάσης λειτουργίας του Led και πιθανόν να καταστραφεί από τις υπερτάσεις παλμών.
Πάρα πολύ ισχυροί φακοί πολλών 12V Led (XHP70) , χρησιμοποιούν πολλές 18650 Li-Ion (8) σε συνδεσμολογία 14,8V και Buck driver που μπορεί ευκολότερα να διαχειριστεί υψηλά ρεύματα εξόδου.

- Μία μονή μπαταρία
Li-Ion 3,7 volt , συνήθως 26650 που τροφοδοτεί 6 ή 13 volt Led που και εδώ ισχύουν τα παραπάνω δηλ. boost / step-up driver που ανυψώνει την τάση και ταυτόχρονα διαθέτει και περιοριστή ρεύματος με τιμή την ζητούμενη του Led στα 6/12 volt , για 12V Led συνήθως χρησιμοποιείται σε τέτοια περίπτωση το XHP35 όταν προορίζεται  για μοντέλο Thrower.
Όσους τέτοιους επώνυμους φακούς έχω εξερευνήσει , διαπίστωσα κάκιστη σχεδίαση , χαμηλή απόδοση < 60% και κακό προσδόκιμο λειτουργίας του
Led ειδικά στην τάση τριπλασιασμού 12V που απαιτείται ειδική σχεδίαση και προσόντα switching σχεδιασμού !

Για όσους λοιπόν κατέχουν θεμελιώδεις γνώσεις ηλεκτρονικών και θέλουν σοβαρές αλλά και συνάμα απλές σχεδιάσεις να κάνουν τα δικά τους
MOD φακών θα παρουσιάσω 3 σχεδιάσεις με προδιαγραφές που έχω σχεδιάσει και έχουν περάσει από έλεγχο στο εργαστήριό μου και θα καλύψουν τις 2 τελευταίες δύσκολες περιπτώσεις οδήγησης όλων των τύπων Led 6/12/18 Volt από μία μονή μπαταρία ισχύος Li-Ion 3,7 Volt.

Το πρώτο λοιπόν κύκλωμα
Driver είναι πολύ εύχρηστο για τους πειραματισμούς/δοκιμές σας με όλα τα Led 6-18 Volt ,  από μία μονή μπαταρία Li-Ion 3,7 volt και έχει έξοδο σταθερής ισχύος U*I = 20 Watt αν παράδειγμα βάλετε στην έξοδο το XHP50.2 6V θα τροφοδοτηθεί στα 3,3 αμπέρ , αν βάλετε το XHP35 θα τροφοδοτηθεί στο 1,5 αμπέρ στα 13,4V , πάντα δηλαδή το γινόμενο ρεύματος επί την τάση τροφοδοσίας θα δίνει τιμή 20 Watt.


To
QX9920 είναι πολύ γνωστός controller Led που χρησιμοποιείται ευρέως σαν Buck driver δηλ.  step-down , αλλά ποτέ σε αυτή την συνδεσμολογία step-Up / boost που του έχω αναθέσει και ο λόγος είναι ότι δεν έχει κατασκευαστεί για boost driver οπότε το duty cycle PWM του περιοριστή ρεύματος δεν ξεπερνά το 80% οπότε δεν έχουμε υπερτάσεις άνω των 20 volt καθότι αυτό το module δεν περιέχει Ref ώστε να περιορίσουμε το όριο υψηλής τάσης.
Έχω σχεδιάσει και τον
PIC controller που περιέχουν όλοι οι driver φακών , για απλή δοκιμή πλήρους ισχύος , συνδέετε το pin Enable του IC στα + 4V της τροφοδοσίας.
Η επιτυχία επι το πλείστον βασίζεται στην επιλογή του ειδικού
Mosfet που διαθέτει υψηλή συχνότητα λειτουργίας , χαμηλό RDS(on) , λειτουργεί από 1,8 volt έχει πολύ ελάχιστες απαιτήσεις διέγερσης Gate , χαρακτηριστικά που δεν διαθέτει στο σύνολό τους κανένα mosfet που χρησιμοποιούν οι επώνυμες εταιρείες φακών και υπάρχουν απώλειες και κακό conversion.
Τα δε
surface mount πηνία που χρησιμοποιούνται στους φακούς , έρχονται εύκολα σε saturation στα υψηλά ρεύματα και το efficiency πέφτει δραματικά σε boost mode και χρησιμοποιούν παράλληλα 2 & 3 κυκλώματα boost για να καλύψουν το ρεύμα που απαιτείται σε διπλασιασμό τάσης , πράγμα που εδώ δεν υπάρχει χρησιμοποιώντας Amidon Toroidal T125 black iron ή το συμβατό που μπορείτε να βρείτε εύκολα  Yellow-White toroidal που έχω στο σχέδιο.
Ο πυκνωτής 10
p ρυθμίζει την συχνότητα CS κοντά στα 250 KHz.
Στα 7 Α ρεύματος εισόδου , δύσκολα θα διαπιστώσετε θερμικές απώλειες εκτός των τριών 82μΩ αντιστάσεων 1
W.
Με απλά λόγια ότι
LED συνδέσετε στην έξοδο 6,12,18 βολτ αυτό θα παίξει κανονικά σε ισχύ 20 Watt.

Παρακάτω δείτε και σε εφαρμογή τον Driver :


Στο επόμενο κύκλωμα Driver που πάλι λειτουργεί από μία 26650 Li-Ion , η σχεδίαση είναι πιο προχωρημένη με μεγάλες δυνατότητες ρεύματος χωρίς απώλειες , χρησιμοποιώντας έναν step-up converter που έχει σχεδιαστεί για boost και έχει δυνατότητα 10πλασιασμού τάσης με efficiency 90 %.
Στην σχεδίαση εκτός από σταθεροποιητή ρεύματος υπάρχει και εκλεκτής
max τάσης εξόδου που προστατεύει το Led στα χαμηλά duty cycle από υπερτάσεις ρεύματος ισχύος , αλλά επίσης και ο περιοριστής ρεύματος ανιχνεύει προσθετικά το ρεύμα εισόδου & εξόδου του μετατροπέα και έχουμε πολύ γραμμική έξοδο στις αυξομειώσεις τάσης της μπαταρίας που θα εκφορτίζεται , κρατώντας 8 amperes ρεύμα λειτουργίας εισόδου ακόμη και στα 2,6 Volt τάσης της μπαταρίας  … βέβαια για μόνιμη κατασκευή απαιτείται βαθμίδα Cut-off στα 2,8 V της τάσης της μπαταρίας για προστασία της.


Στο κύκλωμα αυτή τη φορά δεν εμπεριέχεται PIC controller , μόνο η κυρίως μονάδα ελέγχου τάσης & ρεύματος λειτουργίας του LED.
Τα παλμορεύματα λειτουργίας του κυκλώματος είναι δεκάδων
amperes με RMS τα 8 Α και τα διαχειρίζεται πλήρως το εκπληκτικό AOD510 και έχουμε μία έξοδο να οδηγήσουμε ένα απαιτητικό Cree Led όπως το XHP70.2 στα 4Α και να πάρουμε πάνω από 3100 Lumen φωτισμού.


Παρατηρήστε την καθαρή κυματομορφή δειγματοληψίας  από το Drain του mosfet.



Αλλάζοντας εδώ την R5 με 120Κ , ο περιοριστής τάσης ανεβαίνει στα 14 βολτ και μπορούμε να τοποθετήσουμε το κορυφαίο XHP35 των 12 βολτ , και να πάρουμε πάνω από 500.000cd πυκνότητα φωτός για thrower με τον κατάλληλο reflector , από μία μονή μπαταρία Li-Ion.Παρακάτω είναι και η φωτογραφία του πειραματικού κυκλώματος που δούλευε «χύμα» χωρίς ψύξη στα 8Α

Σαν τελευταίο driver θα σας παρουσιάζω και μια τελευταία μου σχεδίαση που χρειάστηκε πολύ έρευνα στο να επιλεχθεί το κατάλληλο IC με καλή σχεδίαση με ακριβείας εσωτερικούς συγκριτές και τελικά επιλέχθηκε αναπόφευκτα η κορυφαία Texas Instruments σε μοντέλο Step-Up converter που έχει την παραμετροποίηση που χρειαζόμουν για να επιτευχθεί το μέγιστο efficiency που γίνεται σε φορητό boost converter μεγάλης ισχύος , 92% που ποτέ δεν θα συναντήσουμε σε 15Α driver.
Το ζητούμενο εδώ είναι με μία 26650 Li-Ion ισχύος να οδηγήσουμε ένα 6 βολτο Cree XHP70 σε υψηλό ρεύμα που αποδίδει τα βέλτιστα Lm/Watt στα 5,1Α & 30W σε φωτεινότητα πραγματικά 4000 Lumen , φακός που στην πραγματικότητα δεν υπάρχει και ούτε δύναται να υπάρξει με αυτά τα χαρακτηριστικά , με σημαντικό παράγοντα τον ειδικό υπολογισμό επαγωγής χωρίς saturation και ειδικά D-Pak mosfet υπερ-χαμηλής οδήγησης που διαχειρίζονται παλμορεύματα 40 amperes.


Εδώ η διαχείρηση ισχύος του LED δεν βασίζεται σε σταθερό ρεύμα αλλά σε σταθεροποίηση τάσης 6,2 volt όπου στα 3,7V τάσης εισόδου το ρεύμα που διαρρέει  τον driver είναι 11 amperes , όταν το ρεύμα του Led είναι 5,1Α και ελλατώνεται όσο υψηλότερη είναι η τάση εισόδου και αυξάνεται όσο η τάση της μπαταρίας πέφτει μέχρι τα 15A και υπάρχει μια εκπληκτική γραμμική λειτουργία της τάσης οδήγησης του Led , για παράδειγμα στα 2,9 Βολτ τάσης εκφόρτισης της μπαταρίας , το Led θα λειτουργεί στα 6V / 4,1A και θα αποδίδει ακόμη 3400 Lumen ... βέβαια το ρεύμα εισόδου θα είναι 14 Α όπου θα λειτουργεί μόνιμα και ο περιοριστής ρεύματος των 15Α που στην πραγματικότητα είναι 15Α + το ρεύμα του Led και αυτή η πρόσθεση στον συγκριτή ρεύματος δίνει την πολύ καλή γραμικότητα ακόμη και κάτω από 3 βολτ της τάσης εκφόρτισης της μπαταρίας.
Άν δεν οδηγείται το κύκλωμα από PWM controller/PIC τότε μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την soft start λειτουργία για ομαλή έναρξη του μετατροπέα.


MOD φακών αξιώσεων δημοσιεύω κατά καιρούς στο https://www.car.gr/classifieds/my/?category=50&myclassifieds=1&sp=2422