مدارهای راه‌انداز LED توان بالا (درایور LED)

روش‌های خیلی زیادی برای روشن کردن ال‌ای‌دی‌ها وجود داره، اما چرا این‌قدر روی انتخاب روش درست تأکید می‌شه؟ مگه یه لامپ ساده نیست؟

جواب این سؤال تو دو تا نکته اساسی خلاصه می‌شه: اول اینکه ال‌ای‌دی‌ها به شدت به ولتاژ حساس هستن؛ یعنی اگه ولتاژ فقط یه ذره بالا بره، جریانی که از ال‌ای‌دی می‌گذره به طرز وحشتناکی زیاد می‌شه و ال‌ای‌دی می‌سوزه. دوم اینکه ولتاژ مورد نیاز یه ال‌ای‌دی ثابت نیست! وقتی هوا سرد یا گرم می‌شه، این ولتاژ تغییر می‌کنه.

تازه رنگ ال‌ای‌دی و حتی شرکت سازنده‌اش هم روی این ولتاژ تأثیر می‌ذاره. به خاطر همین حساسیت‌ها، روش‌های استانداردی برای تغذیه ال‌ای‌دی‌ها به وجود اومده که تو قدم‌های بعدی یکی‌یکی بررسیشون می‌کنیم. این اصول تو تمام پروژه‌های نوری با توان بالا کاربرد دارن.

برای اینکه بتونی مدارهای مختلف رو راحت‌تر طراحی کنی، پارامترهای اصلی ال‌ای‌دی‌های معروف سری Luxeon رو اینجا برات آوردم.

من همیشه موقع طراحی مدار به این اعداد رجوع می‌کنم، پس یه جا نوشتمشون که راحت در دسترس باشن: وضعیت خاموش (آستانه روشن شدن برای مدل‌های 1 و 3 واتی): - سفید، آبی، سبز، فیروزه‌ای: 2.4 ولت - قرمز، نارنجی، کهربایی: 1.8 ولت مدل Luxeon-1 در جریان 300 میلی‌آمپر (حالت استاندارد): - سفید، آبی، سبز، فیروزه‌ای: 3.3 ولت - قرمز، نارنجی، کهربایی: 2.7 ولت مدل Luxeon-1 در جریان 800 میلی‌آمپر (فشار بیش از حد): - همه رنگ‌ها: 3.8 ولت مدل Luxeon-3 در جریان 300 میلی‌آمپر: - سفید، آبی، سبز، فیروزه‌ای: 3.3 ولت - قرمز، نارنجی، کهربایی: 2.5 ولت مدل Luxeon-3 در جریان 800 میلی‌آمپر: - سفید، آبی، سبز، فیروزه‌ای: 3.8 ولت - قرمز، نارنجی، کهربایی: 3.0 ولت (البته تست‌های من با دیتاشیت کمی فرق داشت!) مدل Luxeon-3 در جریان 1200 میلی‌آمپر: - قرمز، نارنجی، کهربایی: 3.3 ولت و برای مقایسه، ولتاژ ال‌ای‌دی‌های معمولی کوچیک در جریان 20 میلی‌آمپر: - قرمز، نارنجی، زرد: 2.0 ولت - سبز، آبی، سفید و غیره: 3.5 ولت

شاید بپرسی چرا باتری رو مستقیم به ال‌ای‌دی وصل نکنیم؟ خیلی ساده و بی‌دردسره! پس مشکل کجاست؟ اصلا می‌شه این کار رو کرد؟ مشکل اصلی تو این روش، قابلیت اطمینان و ثبات نور هست. همون‌طور که قبلا گفتیم، جریان ال‌ای‌دی به تغییرات کوچیک ولتاژ، دمای محیط و حتی خطای تولید کارخونه خیلی حساسه.

وقتی ال‌ای‌دی رو مستقیم به باتری وصل می‌کنی، اصلا نمی‌دونی دقیقا چقدر جریان داره ازش می‌گذره. شاید بگی: "خب حالا هر چی، مهم اینه که روشن شد دیگه!". آره روشن می‌شه، اما...

بسته به نوع باتری، ممکنه جریان خیلی زیادی از ال‌ای‌دی رد بشه (که باعث داغ شدن شدید و سوختن سریعش می‌شه) یا جریان خیلی کم باشه و نورش ضعیف بشه. بدتر از اون، حتی اگه تو خونه همه‌چیز عالی باشه، وقتی دستگاه رو ببری بیرون تو هوای سرد یا گرم، نورش کم و زیاد می‌شه یا حتی ممکنه بسوزه! چون ال‌ای‌دی به دما واکنش نشون می‌ده.

حتی اگه دو تا ال‌ای‌دی از یه بسته بخری، ممکنه رفتار متفاوتی نشون بدن. اگه با همه این اوصاف بازم می‌گی "مهم نیست!"، می‌تونی مستقیم وصلش کنی.

برای بعضی از کارهای دم‌دستی این روش جواب می‌ده. خلاصه بگم: این روش فقط برای سرگرمی و پروژه‌های موقتی خوبه و اصلا نباید ازش انتظار کارکرد پایدار داشته باشی؛ احتمالا چند تا ال‌ای‌دی هم تو این مسیر می‌سوزونی! یکی از معروف‌ترین ترفندهایی که از این روش به بهترین شکل استفاده می‌کنه، پروژه ال‌ای‌دی Throwie (تاس نوری) هست.

نکته مهم: اگه می‌خوای باتری رو مستقیم وصل کنی، از باتری‌های سکه‌ای یا خیلی کوچیک استفاده کن. باتری‌های کوچیک به طور ذاتی یه مقاومت داخلی دارن که نمی‌ذاره جریان خیلی زیادی کشیده بشه. دقیقا به همین دلیله که پروژه ال‌ای‌دی Throwie این‌قدر خوب کار می‌کنه.

نکته دوم: اگه جرأت کردی و خواستی یه ال‌ای‌دی توان بالا (نه از این معمولی‌های ارزون) رو مستقیم به باتری بزنی، ولتاژ باتری رو طوری انتخاب کن که ال‌ای‌دی تو حداکثر توانش کار نکنه.

این روش با اختلاف، پرکاربردترین روش برای روشن کردن LEDهاست. فقط کافیه یه مقاومت رو با ال‌ای‌دی سری کنی. مزایا: - ساده‌ترین روشیه که واقعا قابل اطمینان کار می‌کنه. - فقط به یه قطعه اضافه (مقاومت) نیاز داری. - هزینه‌اش تقریبا صفره! معایب: - اصلا بهینه نیست.

تو این روش، انرژی باتری به صورت گرما تو مقاومت تلف می‌شه. تو باید بین هدر رفتن انرژی و داشتن یه نور ثابت و مطمئن، یکی رو انتخاب کنی.

اگه بخوای انرژی کمتری تو مقاومت هدر بره (یعنی مقاومت کوچیک‌تری بذاری)، ثبات نور ال‌ای‌دی رو از دست می‌دی. - اگه بخوای نور رو کم و زیاد کنی، باید مقاومت رو عوض کنی. - اگه ولتاژ منبع تغذیه یا باتری تغییر کنه، باز هم باید مقاومت جدیدی محاسبه و نصب کنی. برای محاسبه مقدار مقاومت می‌تونی از جدول مرجعی که تو قدم‌های قبلی گذاشتیم استفاده کنی.

رگولاتورهای سوئیچینگ که بهشون مبدل‌های DC-to-DC، کاهنده (Buck) یا افزاینده (Boost) هم می‌گن، باکلاس‌ترین و اصولی‌ترین راه برای روشن کردن ال‌ای‌دی هستن. این مدارها همه‌کار می‌کنن، اما قیمت بالایی دارن. حالا دقیقا چیکار می‌کنن؟

این رگولاتورها می‌تونن ولتاژ ورودی رو دقیقا به همون اندازه‌ای که ال‌ای‌دی نیاز داره کاهش یا افزایش بدن. برخلاف مقاومت ساده، این مدارها دائما جریانی که از ال‌ای‌دی می‌گذره رو اندازه‌گیری می‌کنن و خودشون رو تنظیم می‌کنن تا جریان همیشه ثابت بمونه.

جالب اینجاست که همه این کارها رو با راندمان 80 تا 95 درصدی انجام می‌دن، فرقی هم نمی‌کنه چقدر ولتاژ رو بالا یا پایین ببرن. مزایا: - نور کاملا ثابت و پایدار برای انواع ال‌ای‌دی‌ها و منبع تغذیه‌ها. - راندمان بسیار بالا (معمولا 80-90 درصد برای افزاینده‌ها و 90-95 درصد برای کاهنده‌ها).

- می‌تونن ال‌ای‌دی رو با باتری‌هایی روشن کنن که ولتاژشون کمتر یا بیشتر از ولتاژ خود ال‌ای‌دی هست. - بعضی مدل‌ها قابلیت تنظیم نور (Dimming) هم دارن. - ماژول‌های آماده‌شون تو بازار زیاده و کار باهاشون راحته. معایب: - پیچیده و گرون هستن. یه ماژول باکیفیت ممکنه برات گرون تموم بشه.

- اگه بخوای خودت طراحیش کنی، به قطعات مختلف و دانش مهندسی الکترونیک نیاز داری. این روش معمولا تو ساخت هدلایت‌های حرفه‌ای استفاده می‌شه.

حالا رسیدیم به بخش جذاب ماجرا! این مدار و چند تا مداری که در ادامه می‌بینی، بر اساس یه منبع جریان ثابت خیلی ساده طراحی شدن. مزایا: - نور کاملا ثابت و پایدار مستقل از تغییرات ولتاژ.

- هزینه‌اش فوق‌العاده پایینه (شاید در حد چند هزار تومن). - فقط از 4 تا قطعه ساده تشکیل شده. - اگه ولتاژ منبع رو درست انتخاب کنی، راندمانش می‌تونه بالای 90 درصد باشه.

- می‌تونه جریان‌های خیلی وحشتناک (مثل 20 آمپر) رو هم به راحتی تحمل کنه. - افت ولتاژ (Dropout) خیلی پایینی داره؛ یعنی ولتاژ ورودی می‌تونه فقط 0.6 ولت بیشتر از خروجی باشه. - محدوده کاریش خیلی وسیعه: از 3 ولت تا 60 ولت کار می‌کنه!

معایب: - برای تغییر نور باید مقاومت رو عوض کنی. - اگه قطعات رو درست انتخاب نکنی، ممکنه مثل روش مقاومت ساده، کلی انرژی رو به شکل گرما هدر بده. - باید خودت بسازیش (که البته برای ما الکترونیکی‌ها این یه مزیته!).

- با تغییر دمای محیط، مقدار جریان لیمیت شده یه کوچولو تغییر می‌کنه (که اینم تو بعضی شرایط می‌تونه مفید باشه). خلاصه بگم: این مدار تقریبا همون کار رگولاتور سوئیچینگ رو می‌کنه، فقط نمی‌تونه همیشه راندمان 90 درصدی رو تضمین کنه. اما در عوض، با کمترین هزینه ممکن ساخته می‌شه. این مدار برای ساخت چراغ‌قوه‌های دست‌ساز قوی بی‌نظیره.

این دو تا مدار، نسخه‌های ارتقایافته همون مدار شماره 1 هستن که مشکل محدودیت ولتاژ رو حل می‌کنن. داستان از این قراره که اگه بخوایم از منبع تغذیه بالاتر از 20 ولت استفاده کنیم، باید حواسمون باشه ولتاژ پایه گیت (G) ماسفت NFET از 20 ولت بیشتر نشه. از طرفی، این تغییرات بهمون کمک می‌کنه تا بتونیم مدار رو به میکروکنترلر یا کامپیوتر هم وصل کنیم.

تو مدار شماره 2 یه مقاومت به اسم R2 اضافه کردم، اما تو مدار شماره 3 به جای R2 از یه دیود زنر (Z1) استفاده کردم. مدار شماره 3 بهترین انتخابه، ولی مدار شماره 2 رو هم گذاشتم تا اگه دیود زنر دم دستت نبود، بتونی کار رو راه بندازی.

هدف ما اینه که ولتاژ پایه گیت رو روی 5 ولت نگه داریم. پس باید از یه دیود زنر 4.7 یا 5.1 ولتی (مثل 1N4732A یا 1N4733A) استفاده کنی. اگه ولتاژ زنر کمتر باشه ماسفت Q2 کامل روشن نمی‌شه، و اگه بیشتر باشه مدار با خیلی از میکروکنترلرها کار نمی‌کنه.

اگه ولتاژ ورودیت زیر 10 ولته، مقاومت R1 رو با یه مقاومت 22 کیلواهمی عوض کن، چون دیود زنر برای کار کردن حداقل به 10 میکروآمپر جریان نیاز داره.

با اعمال این تغییرات، مداری که ساختی می‌تونه تا 60 ولت رو به راحتی تحمل کنه و اگه نیاز بود، خیلی راحت می‌تونی یه ترانزیستور Q2 قوی‌تر با تحمل ولتاژ بالاتر تو بازار پیدا کنی.

حالا که مدار پایه رو ساختی، وقتشه هوشمندش کنی! کافیه مدار رو به یه میکروکنترلر یا کامپیوتر وصل کنی تا بتونی شدت نور رو به صورت دیجیتال کنترل کنی.

پایه‌های خروجی میکروکنترلرها معمولا فقط تا 5.5 ولت تحمل دارن، برای همین وجود اون دیود زنری که قبلا گفتیم حیاتیه. اگه میکروکنترلرت 3.3 ولتی یا کمتره، باید از مدار شماره 4 استفاده کنی و پین خروجی میکرو رو تو حالت Open Collector تنظیم کنی. اینطوری میکرو می‌تونه پایه رو صفر کنه (Pull-down)، اما مقاومت R1 اجازه می‌ده ولتاژ تا 5 ولت بالا بره تا ماسفت Q2 کامل روشن بشه.

اما اگه میکروکنترلرت 5 ولتیه (مثل آردوینو)، می‌تونی از مدار ساده‌تر شماره 5 استفاده کنی و دیود زنر رو حذف کنی. پین میکرو رو هم رو حالت عادی خروجی بذار؛ خودش به تنهایی می‌تونه ماسفت رو روشن کنه. خب حالا چطوری شدت نور رو تنظیم کنیم؟

برای تغییر روشنایی باید از تکنیک PWM استفاده کنی؛ یعنی مدار رو با سرعت خیلی زیاد (مثلا 200 بار در ثانیه) روشن و خاموش کنی و نسبت زمان روشن بودن به خاموش بودن (Duty Cycle) رو تغییر بدی. این کار تو میکروکنترلر با یکی دو خط کد انجام می‌شه. حتی اگه میکرو نداری می‌تونی این کار رو با یه آیسی ساده 555 انجام بدی.

فقط کافیه تو مدار 555، قطعات M1، D3 و R2 رو حذف کنی و از ترانزیستور خودش به عنوان Q2 مدار ما استفاده کنی.

شاید اصلا حوصله برنامه‌نویسی و میکروکنترلر رو نداشته باشی! هیچ مشکلی نیست. با یه تغییر کوچیک تو مدار شماره 1، می‌تونی نور رو دوحالته کنی. ساده‌ترین راه برای تغییر شدت نور، تغییر دادن محدودکننده جریانه؛ یعنی باید با مقاومت R3 بازی کنیم!

همون‌طور که تو عکس می‌بینی، من یه مقاومت جدید (R4) و یه کلید رو به صورت موازی با مقاومت R3 اضافه کردم. وقتی کلید بازه، جریان فقط توسط R3 کنترل می‌شه (حالت نور کم). وقتی کلید رو می‌بندی، مقاومت R4 هم وارد مدار می‌شه و چون مقاومت معادلشون کم می‌شه، جریان بیشتری عبور می‌کنه (حالت نور زیاد). این مدار جون می‌ده برای ساخت چراغ‌قوه‌های دوحالته!

شاید بگی چرا به جای اینا یه ولوم نذاریم؟ مشکل اینجاست که ولوم‌ها تو این مقاومت‌های خیلی پایین ساخته نمی‌شن. پس اگه می‌خوای نور رو پیوسته تنظیم کنی، باید سراغ یه مدار پیچیده‌تر بری که تو قدم بعدی برات توضیحش می‌دم.

این مدار بهت اجازه می‌ده بدون نیاز به میکروکنترلر و فقط با چرخوندن یه ولوم، نور ال‌ای‌دی رو به صورت کاملا نرم و پیوسته کم و زیاد کنی. این مدار کاملا آنالوگه و هزینه‌اش هم زیاد نیست؛ نهایتا دو سه دلار برات آب می‌خوره.

تفاوت اصلی این مدار اینه که به جای ماسفت NFET، از یه رگولاتور ولتاژ استفاده کردیم. این رگولاتور هم مثل ماسفت ولتاژ رو پایین میاره، با این تفاوت که خروجیش با نسبت دو تا مقاومت (مجموع R2+R4 و مقاومت R1) تنظیم می‌شه.

بخش محدودکننده جریان هم مثل قبل کار می‌کنه، یعنی با کاهش مقاومت بین پایه‌های R2، ولتاژ خروجی رگولاتور رو کم می‌کنه. با این مدار می‌تونی ولتاژ ال‌ای‌دی رو با یه ولوم چرخان یا کشویی روی هر مقداری تنظیم کنی. در عین حال، سیستم محدودکننده جریان هم فعاله و اجازه نمی‌ده ولوم رو از حد مجاز بیشتر بچرخونی و ال‌ای‌دی رو بسوزونی.

من از این مدار تو پروژه نورپردازی RGB اتاقم استفاده کردم. این مدار می‌تونه با ولتاژ 5 تا 28 ولت کار کنه و اگه روی رگولاتورش یه هیت‌سینک خوب ببندی، تا 5 آمپر جریان هم بهت می‌ده که رقم فوق‌العاده‌ایه!

خب، راستش یه راه حتی ساده‌تر هم برای ساخت منبع جریان ثابت وجود داره. دلیل اینکه همون اول معرفی‌اش نکردم اینه که یه ایراد نسبتا بزرگ داره. تو این مدار نه خبری از ماسفت هست و نه ترانزیستور معمولی؛ فقط و فقط یه رگولاتور ولتاژ کار رو جمع می‌کنه!

اگه بخوایم این مدار رو با مدار "منبع جریان ثابت دو ترانزیستوری" که قبلا معرفی کردیم مقایسه کنیم: - قطعاتش حتی از اون هم کمتره. - افت ولتاژ (Dropout) خیلی بالایی داره (حدود 2.4 ولت). این یعنی اگه فقط بخوای یه دونه ال‌ای‌دی روشن کنی، راندمان مدار به شدت میاد پایین و کلی گرما تولید می‌شه. اما اگه مثلا ५ تا ال‌ای‌دی رو با هم سری کرده باشی، این افت ولتاژ دیگه خیلی به چشم نمیاد.

- با تغییر دمای محیط، مقدار جریان ثابت می‌مونه و تغییر نمی‌کنه. - ظرفیت جریان‌دهی کمتری داره (در حد 5 آمپر، که البته برای روشن کردن یه عالمه ال‌ای‌دی بازم کافیه).

راستش رو بخوای یکم خجالت می‌کشم بگم، اما این روش رو خودم کشف نکردم! وقتی داشتم یه چراغ‌قوه که توش ال‌ای‌دی توان بالا بود رو باز می‌کردم، متوجه این ترفند شدم. ترفندش اینه: فقط کافیه یه مقاومت PTC (یا همون فیوز حرارتی قابل‌برگشت) رو با ال‌ای‌دی سری کنی! همین! دیگه از این راحت‌تر نمی‌شه. اما خب...

این روش هم با وجود سادگیش مشکلات خاص خودش رو داره: - ولتاژ منبع تغذیه تو فقط باید یه ذره از ولتاژ روشن شدن ال‌ای‌دی بیشتر باشه. فیوزهای PTC برای دفع حرارت زیاد طراحی نشدن، پس ولتاژی که روی فیوز میفته باید خیلی کم باشه. (البته می‌تونی فیوز رو به یه تیکه فلز بچسبونی تا یکم خنک بشه). - نمی‌تونی ال‌ای‌دی رو تو حداکثر توانش روشن کنی.

چون فیوزهای PTC نقطه قطع جریان (Trip) خیلی دقیقی ندارن. معمولا جریانی که قطع می‌کنن می‌تونه تا دو برابر مقدار نامیشون خطا داشته باشه! یعنی اگه ال‌ای‌دی تو ५00 میلی‌آمپر نیاز داره و تو یه PTC 500 میلی‌آمپری بذاری، ممکنه فیوز بین 500 تا 1000 میلی‌آمپر عمل کنه که برای ال‌ای‌دی به شدت خطرناکه.

تنها راه امن اینه که PTC رو یه پله ضعیف‌تر انتخاب کنی. مثلا PTC 250 میلی‌آمپری بگیری تا تو بدترین حالت، جریان به 500 میلی‌آمپر برسه و ال‌ای‌دی نسوزه. یه مثال عملی بزنم: برای یه ال‌ای‌دی که 3.4 ولت و ५00 میلی‌آمپر نیاز داره: اون رو با یه فیوز PTC 250 میلی‌آمپری سری کن و از یه منبع تغذیه حدودا 4 ولتی استفاده کن.