Como escolher o driver para lâmpada LED: tipos, finalidade + características de conexão

Os luminários LED se popularizaram em massa, levando ao início da produção ativa de fontes de alimentação secundárias. O driver de lâmpada LED é capaz de manter de forma estável os valores de corrente especificados na saída do dispositivo, estabilizando a tensão que passa através da cadeia de diodos.

Falaremos tudo sobre os tipos e princípios de funcionamento do dispositivo de conversão de corrente para lâmpadas diodo. No artigo proposto, fornecemos diretrizes para a seleção do driver, com recomendações úteis. Eletricistas domésticos autônomos encontrarão aqui esquemas de conexão testados na prática.

Finalidade e área de uso

Os cristais diodo consistem em dois semicondutores – ânodo (positivo) e cátodo (negativo), que são responsáveis pela transformação dos sinais elétricos. Uma região tem condutividade do tipo P, a segunda do tipo N. Ao conectar uma fonte de alimentação, a corrente fluirá através desses elementos.

Devido a essa polaridade, os elétrons da zona do tipo P se dirigem para a zona do tipo N, e vice-versa, as cargas do ponto N se dirigem para o P. No entanto, cada seção da região tem seus próprios limites, chamados de junções P-N. Nessas áreas, as partículas se encontram e se absorvem mutuamente ou se recombinam.

O diodo é um elemento semicondutor e possui apenas uma junção p-n. Por esse motivo, a principal característica que determina o grau de brilho de sua luminosidade não é a tensão, mas sim a corrente.

Durante as junções P-N, a tensão diminui em uma quantidade específica de volts, sempre a mesma para cada elemento do circuito. Levando em conta esses valores, o driver estabiliza os parâmetros da corrente de entrada e produz um valor constante na saída.

Qual potência é necessária e quais valores de perda durante a passagem P-N são indicados na ficha técnica do dispositivo LED. Portanto, ao escolher uma lâmpada diodo, é necessário considerar os parâmetros da fonte de alimentação, cuja faixa deve ser suficiente para compensar a energia perdida.

Para que LEDs potentes funcionem pelo tempo indicado nas especificações, é necessário um dispositivo estabilizador – um driver. Na carcaça do mecanismo eletrônico sempre é mostrada sua tensão de saída.

Fontes de alimentação com tensão de 10 a 36 V são usadas para equipar dispositivos de iluminação.

A técnica pode ser dos mais variados tipos:

• faróis de automóveis, bicicletas, motocicletas, etc.;
• pequenas lanternas portáteis ou de rua;
• réguas de LEDs, fitas, lâmpadas de teto e módulos.

No entanto, para LEDs de baixa potência, bem como no caso de uso de tensão constante, é permitido não usar drivers. Em vez deles, um resistor é inserido no circuito, também alimentado pela rede de 220 V.

Princípio de funcionamento da fonte de alimentação

Vamos entender quais são as diferenças entre uma fonte de tensão e uma fonte de alimentação. Como exemplo, considere o esquema mostrado abaixo.

Conectando um resistor de 40 Ω a uma fonte de alimentação de 12 V, passará por ele uma corrente de 300 mA (figura A). Ao conectar um segundo resistor em paralelo no circuito, o valor da corrente será de 600 mA (B). No entanto, a tensão permanecerá inalterada.

Apesar de conectar dois resistores à fonte de alimentação, o segundo na saída criará uma tensão constante, pois, em condições ideais, não obedece à carga.

Agora vamos ver como os valores mudarão se resistores forem conectados a uma fonte de alimentação. Da mesma forma, introduzimos um reostato de 40 Ω com um driver de 300 mA. Este último cria nele uma tensão de 12 V (esquema C).

Se o circuito for composto por dois resistores, a magnitude da corrente é constante e a tensão será de 6 V (D).

O driver, ao contrário da fonte de tensão, mantém os parâmetros de corrente definidos na saída, porém a potência da tensão pode variar.

Concluindo, pode-se dizer que um conversor de qualidade fornece à carga a corrente nominal mesmo com queda de tensão. Assim, cristais de diodos de 2 V ou 3 V com corrente de 300 mA queimarão com a mesma intensidade mesmo com tensão reduzida.

Características distintivas do conversor

Um dos indicadores mais importantes é a potência transmitida sob carga. O dispositivo não pode ser sobrecarregado tentando obter os melhores resultados possíveis.

O uso inadequado contribui para a falha rápida não apenas do mecanismo de visão geral, mas também dos chips de LED.

Os principais fatores que afetam o funcionamento incluem:

• os elementos constituintes usados no processo de montagem;
• o grau de proteção (IP);
• os valores mínimos e máximos na entrada e saída;
• o fabricante.

Os modelos modernos de conversores são fabricados com base em microchips e utilizam a tecnologia de modulação por largura de pulso (PWM).

No processo de funcionamento da fonte de alimentação, para regular o valor da tensão de saída, foi implementado o método de modulação por largura de pulso (PWM), mantendo na saída o mesmo tipo de corrente que na entrada.

Esses dispositivos possuem alto grau de proteção contra curto-circuitos, sobrecargas de rede e também apresentam alta eficiência energética (rendimento).

Regras para seleção do conversor de corrente

Para adquirir o conversor para lâmpada LED, é necessário estudar as principais características do aparelho. Deve-se basear na tensão de saída, corrente nominal e potência fornecida.

Potência dos LEDs

Vamos analisar inicialmente a tensão de saída, que está sujeita a vários fatores:

• valor da queda de tensão nas junções P-N dos cristais;
• número de diodos emissores de luz na cadeia;
• esquema de ligação.

Os parâmetros da corrente nominal podem ser determinados pelas características do consumidor, ou seja, pela potência dos elementos LED e pelo grau de luminosidade.

Esse indicador influenciará a corrente consumida pelos cristais, cuja faixa varia de acordo com a luminosidade necessária. A função do conversor é fornecer a esses elementos a quantidade adequada de energia.

O valor da tensão de saída deve ser maior ou igual à soma total da energia consumida em cada bloco do circuito elétrico.

A potência do dispositivo depende da intensidade de cada elemento LED, da sua cor e da quantidade.

Para calcular a energia consumida, utiliza-se a seguinte fórmula:

P_H = P_LED * N,

Onde

• P_LED – carga elétrica criada por um diodo,
• N – número de cristais no circuito.

Os valores obtidos não devem ser inferiores à potência do driver. Agora é necessário determinar o valor nominal necessário.

Potência máxima do dispositivo

Deve-se considerar também o fato de que, para garantir o funcionamento estável do conversor, seus valores nominais devem exceder em 20-30% o valor obtido de P_H.

Assim, a fórmula assume a seguinte forma:

P_max ≥ (1,2..1,3) * P_H,

onde P_max é a potência nominal da fonte de alimentação.

Além da potência e da quantidade de consumidores na placa, a carga também está sujeita a fatores de cor do consumidor. Com a mesma corrente, dependendo do tom, eles apresentam diferentes valores de queda de tensão.

O driver para lâmpada LED deve fornecer a quantidade de corrente necessária para garantir a luminosidade máxima. Ao selecionar o dispositivo, o comprador deve lembrar que a potência deve ser maior do que a usada por todos os LEDs.

Vamos tomar como exemplo os LEDs da empresa americana Cree da linha XP-E na cor vermelha.

Suas características são as seguintes:

• queda de tensão: 1,9-2,4 V;
• corrente: 350 mA;
• potência média de consumo: 750 mW.

Um análogo da cor verde com a mesma corrente terá indicadores completamente diferentes: perdas nas junções P-N de 3,3-3,9 V e potência de 1,25 W.

Portanto, podemos concluir: um driver projetado para 10 W é usado para alimentar doze cristais vermelhos ou oito verdes.

Esquema de conexão dos LEDs

A seleção do driver deve ser feita após determinar o esquema de conexão dos consumidores LED. Se você adquirir primeiro os diodos de luz e depois escolher o conversor para eles, esse processo será acompanhado de muitas dificuldades.

Para encontrar um dispositivo que garanta o funcionamento exato desse número de consumidores com o esquema de conexão especificado, você terá que gastar bastante tempo.

Vamos dar um exemplo com seis consumidores. A queda de tensão neles é de 3 V, a corrente consumida é de 300 mA. Para conectá-los, você pode usar um dos métodos, e em cada caso, os parâmetros necessários da fonte de alimentação serão diferentes.

A desvantagem da disposição sequencial dos diodos é a necessidade de uma fonte de alimentação com alta tensão, se houver muitos cristais no circuito

No nosso caso, com a conexão em série, é necessária uma fonte de 18 V com corrente de 300 mA. A principal vantagem desse método é que a mesma intensidade passa por toda a linha, portanto, todos os diodos brilham com a mesma luminosidade.

A desvantagem da disposição paralela dos consumidores é a diferença no brilho de cada cadeia. Esse fenômeno negativo ocorre devido à dispersão dos parâmetros dos diodos em consequência das diferenças entre a corrente que passa por cada linha

Se for usada a disposição paralela, basta utilizar um conversor de 9 V, porém os valores da corrente consumida serão duplicados, em comparação com o método anterior.

O método de dispor dois diodos em série não pode ser aplicado com a substituição do número de cristais no grupo – 3 ou mais. Essas limitações estão relacionadas ao fato de que uma corrente muito alta pode passar por um elemento, o que cria a probabilidade de falha de todo o circuito

Se for usado o método em série formando pares de dois LEDs, utiliza-se um driver com parâmetros semelhantes, como no caso anterior. No entanto, a luminosidade da iluminação já será uniforme.

Mas aqui também não faltam nuances negativas: ao aplicar energia ao grupo, devido à dispersão das características, um dos LEDs pode acender mais rápido que o segundo, consequentemente, por ele passará uma corrente que excede o dobro do valor nominal.

Muitos tipos de lâmpadas LED para iluminação doméstica são projetados para picos de curta duração, mas esse método é menos utilizado.

Tipos de drivers de acordo com o tipo de dispositivo

Dispositivos que convertem a alimentação de 220 V para os parâmetros necessários para LEDs são condicionalmente divididos em três categorias: eletrônicos; baseados em capacitores; dimerizáveis.

O mercado de acessórios de iluminação apresenta uma ampla variedade de modelos de drivers, principalmente de fabricação chinesa. E apesar da faixa de preço baixa, é possível escolher uma opção bastante decente entre esses dispositivos. No entanto, é importante prestar atenção ao certificado de garantia, pois nem todos os produtos oferecidos têm qualidade aceitável.

Tipo eletrônico do dispositivo

Idealmente, o conversor eletrônico deve ser equipado com um transistor. Sua função é aliviar o circuito integrado de regulação. Para eliminar ou suavizar ao máximo a ondulação, um capacitor é instalado na saída.

Este tipo de dispositivo pertence à categoria cara, porém é capaz de estabilizar a corrente até 750 mA, o que os mecanismos de lastro não conseguem.

Os drivers mais novos são geralmente instalados em lâmpadas com soquete E27. A exceção à regra são os produtos Gauss GU5,3. Eles são equipados com um conversor sem transformador. No entanto, o nível de ondulação neles atinge várias centenas de Hz.

A ondulação não é a única desvantagem dos conversores. A segunda é a interferência eletromagnética de alta frequência (HF). Assim, se outros aparelhos elétricos forem conectados à tomada associada à luminária, como rádio, pode-se esperar interferência na recepção de frequências FM digitais, televisão, roteador, etc.

Em um dispositivo opcional de qualidade, deve haver dois capacitores: um eletrolítico para suavizar ondulações, e outro cerâmico, para reduzir HF. No entanto, essa combinação não é vista com frequência, especialmente quando se trata de produtos chineses.

Aqueles que têm conhecimentos gerais sobre esses circuitos elétricos podem ajustar os parâmetros de saída do conversor eletrônico alterando o valor dos resistores.

Devido à alta eficiência (até 95%), esses mecanismos são adequados para dispositivos potentes usados em várias áreas, por exemplo, para tuning de automóveis, em luminárias externas, bem como em fontes de LED domésticas.

Fonte de alimentação baseada em capacitores

Agora passamos para dispositivos menos populares – baseados em capacitores. Quase todos os circuitos de lâmpadas LED baratas que usam esse tipo de driver têm características semelhantes.

No entanto, devido a modificações do fabricante, elas sofrem alterações, por exemplo, a remoção de algum elemento do circuito. Especialmente frequentemente, essa peça é um dos capacitores — o de filtragem.

Devido à ocupação descontrolada do mercado por produtos baratos e de baixa qualidade, os usuários podem «sentir» uma pulsação de cem por cento nas lâmpadas. Mesmo sem se aprofundar em seu funcionamento, pode-se afirmar a remoção do elemento de filtragem do circuito.

As vantagens desses mecanismos são apenas duas: elas são acessíveis para montagem própria, e sua eficiência é considerada cem por cento, pois as perdas ocorrem apenas nas junções p-n e nas resistências.

O mesmo número de aspectos negativos: baixa segurança elétrica e alto grau de pulsação. A segunda desvantagem é de cerca de 100 Hz e resulta da retificação da tensão alternada. A norma GOST especifica o nível permitido de pulsação de 10-20%, dependendo da finalidade do ambiente onde o dispositivo de iluminação está instalado.

A única maneira de suavizar essa desvantagem é escolher um capacitor com a classificação correta. No entanto, não se deve contar com a eliminação completa do problema – essa solução pode apenas suavizar a intensidade das oscilações.

Conversores de corrente dimerizáveis

Drivers reguladores de luz para lâmpadas LED dimerizáveis permitem alterar os parâmetros de corrente de entrada e saída, reduzindo ou aumentando o grau de brilho da luz emitida pelos diodos.

Existem dois métodos de conexão:

• o primeiro prevê uma partida suave;
• o segundo – por impulso.

Considere o princípio de funcionamento dos drivers dimerizáveis baseados no chip CPC9909, usado como dispositivo regulador para circuitos de LED, inclusive os de alta luminosidade.

Esquema de conexão padrão do CPC9909 com alimentação de 220 V. De acordo com as indicações esquemáticas, é possível controlar um ou vários consumidores de alta potência.

Na partida suave, o chip com o driver garante a ativação gradual dos diodos com brilho crescente. Para esse processo, são utilizados dois resistores conectados ao pino LD, destinado a realizar a tarefa de dimerização suave. Assim, uma tarefa importante é realizada – prolongar a vida útil dos elementos de LED.

Esse mesmo pino também fornece regulação analógica — o resistor de 2,2 kΩ é substituído por um equivalente variável de maior potência — 5,1 kΩ. Dessa forma, consegue-se uma mudança suave do potencial na saída.

A aplicação do segundo método envolve o fornecimento de pulsos do tipo retangular ao pino de baixa frequência PWMD. Para isso, utiliza-se um microcontrolador ou um gerador de pulsos, que devem ser isolados por um optoacoplador.

Com ou sem invólucro?

Os drivers são fabricados com invólucro ou sem. A primeira opção é a mais comum e mais cara. Esses dispositivos são protegidos contra entrada de umidade e partículas de poeira.

Os dispositivos do segundo tipo são utilizados em instalações ocultas e, portanto, são mais baratos.

A alimentação de todos os dispositivos apresentados pode ser de 12 V ou 220 V. Embora os modelos sem invólucro ganhem em preço, eles ficam significativamente atrás em termos de segurança e confiabilidade do mecanismo.

Cada um deles difere na temperatura operacional permitida – isso também deve ser levado em consideração na seleção.

Esquema clássico do driver

Para a montagem independente de uma fonte de alimentação LED, vamos analisar o dispositivo mais simples do tipo de pulso, sem isolamento galvânico. A principal vantagem desse tipo de esquema é a conexão simples e o funcionamento confiável.

O esquema do conversor de 220 V é apresentado como uma fonte de alimentação de pulso. Durante a montagem, todas as normas de segurança elétrica devem ser seguidas, pois aqui não há limites de corrente de saída.

O esquema de tal mecanismo é composto por três áreas em cascata principais:

1. Divisor de tensão em impedância capacitiva.
2. Retificador.
3. Estabilizadores de tensão.

A primeira seção é a oposição à corrente alternada no capacitor C1 com um resistor. Este último é necessário apenas para a carga independente do elemento inerte. Ele não afeta o funcionamento do esquema.

O valor nominal do resistor pode estar na faixa de 100 kΩ a 1 MΩ, com potência de 0,5-1 W. O capacitor deve ser eletrolítico e seu valor de tensão eficaz de amplitude – 400-500 V

Quando a meia-onda formada da tensão passa pelo capacitor, a corrente flui até que as placas estejam completamente carregadas. Quanto menor a capacitância do mecanismo, menos tempo será necessário para sua carga completa.

Por exemplo, um dispositivo com capacitância de 0,3-0,4 μF carrega durante 1/10 do período da meia-onda, ou seja, apenas um décimo da tensão que passa passará por esta seção.

O processo de retificação nesta seção é realizado de acordo com o esquema de Graetz. A ponte de diodos é selecionada com base na corrente nominal e na tensão reversa. Este último valor não deve ser inferior a 600 V.

O segundo estágio é um dispositivo elétrico que converte (retifica) corrente alternada em corrente pulsante. Esse processo é chamado de onda completa. Como uma parte da meia-onda foi suavizada pelo capacitor, na saída desta seção a corrente contínua será de 20-25 V.

Como a alimentação dos LEDs não deve exceder 12 V, é necessário usar um elemento estabilizador no circuito. Para isso, é introduzido um filtro capacitivo. Por exemplo, você pode usar o modelo L7812.

O terceiro estágio funciona com base em um filtro estabilizador de suavização – um capacitor eletrolítico. A escolha de seus parâmetros capacitivos depende da intensidade da carga.

Como o circuito montado começa a funcionar imediatamente, não se deve tocar em fios desencapados, pois a corrente conduzida atinge dezenas de ampères – as linhas são isoladas previamente.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Todas as dificuldades que um radioamador pode encontrar ao escolher um conversor para lâmpadas LED potentes são descritas em detalhes no vídeo:

Principais características da conexão independente de um dispositivo conversor ao circuito elétrico:

Instruções passo a passo descrevendo o processo de montagem de um driver de LED por conta própria a partir de materiais disponíveis:

Apesar das dezenas de milhares de horas de operação ininterrupta das lâmpadas LED declaradas pelo fabricante, existem muitos fatores que reduzem significativamente esses indicadores.

Os drivers são projetados para suavizar todos os saltos de corrente no sistema elétrico. A seleção ou montagem própria deve ser feita com responsabilidade após o cálculo de todos os parâmetros necessários.

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