Почему не все светодиоды светят при параллельном подключении?
Собрать "люстру" из кучи разных светодиодов и запитать их от одного мощного драйвера — звучит как отличный план, чтобы сэкономить деньги и время. Жаль только, что этот план обычно не работает и приходится тщательно выбирать светодиодный драйвер, иногда даже использовать два драйвера одновременно.
Самый плохой сценарий выглядит так:
1. собираем цепи из светодиодов на радиаторе;
2. подключаем собранную конструкцию к драйверу;
3. включаем драйвер в сеть;
4. Вспышка, и половина светодиодов отправляется в мусорку. Зато ярко было...
Как подключить светодиоды параллельно: разбираемся на симуляторе
В виджете выше собрана классическая схема параллельного соединения. Драйвер стабильного тока на 1400 мА — ровно столько, сколько нужно двум цепочкам по 700 мА каждая. Именно так рассуждает большинство, когда решает сэкономить на втором драйвере. Дальше два канала: на первом три белых светодиода 5000 K, на втором три красных 660 нм.
Начните с рубильников. Замыкайте их по очереди — работает каждая цепочка. Замкните оба сразу, то есть соберите настоящий параллельный контур, и картина ломается: шина проседает до 6,4 В, амперметр белого канала показывает ноль, а красный забирает все 1400 мА. Это 200 % его номинала. Через полминуты температура перехода уходит за 115 °C при паспортном пределе 110 °C, и виджет включает красный вердикт.
Обратите внимание, что происходит при разомкнутом втором рубильнике. Оставьте включённым только белый канал: он тоже получает все 1400 мА и разогревается до 156 °C. Это не абстракция — ровно так ведёт себя схема, когда одна из двух цепочек уходит в обрыв. Выживший канал мгновенно получает двойной ток.
Дальше начинается самое полезное. Симулятор не показывает один заранее записанный сценарий — в нём можно собрать любую пару.
Селектор тока драйвера. Кликните по цифре прямо на корпусе драйвера или выберите значение в списке: 350, 700, 1050 или 1400 мА. Перекос сохраняется при любом токе, меняется только тяжесть последствий. При 350 мА красная цепочка работает на 50 % номинала и живёт, при 1400 мА — на 200 % и умирает. Ток драйвера не решает проблему параллельного подключения, он лишь определяет, как быстро вы её заметите.
Число светодиодов в цепочке. Здесь ломается самое распространённое заблуждение. Кажется, что достаточно уравнять типы светодиодов, но считать нужно напряжение цепочки целиком. Поставьте во второй канал пять красных вместо трёх: 5 × 2,2 = 11 В против 9,6 В у белых, и доминирование переворачивается — теперь белые забирают 98 % тока, а красные гаснут. Тот же эффект, только зеркальный.
Галка тепловой обратной связи. Снимите её и поставьте 3 белых против 4 красных. Напряжения почти совпадают, 9,6 В против 8,8 В, и ток делится 26 / 74 — терпимо. Теперь верните галку. Красная цепочка греется, её Vf падает, она забирает ещё больше тока, греется сильнее — и через минуту деление становится 4 / 96, а переход красных доходит до 111 °C. Это и есть тепловой разгон, увиденный в динамике, а не описанный словами.
Строка «Относительный выход». Ещё одна вещь, которую невозможно показать статичной картинкой. Красный AlGaInP теряет около 0,6 % светового потока на каждый градус нагрева. Разогнав красную цепочку до 115 °C, вы получаете вдвое больший ток и при этом теряете половину светоотдачи каждого кристалла. Схема жрёт 9 Вт вместо 4,35 и светит хуже, чем при штатном режиме.
Если после экспериментов стало ясно, что одним драйвером здесь не обойтись, дальше пригодится как подобрать драйвер для светодиодов↗ — там разбор по току, окну напряжения и запасу мощности с подбором конкретной модели из базы.
Расчёт балансировочных резисторов: когда параллельное и последовательное соединение светодиодов приходится смешивать
Правильный ответ на вопрос, как лучше подключать светодиоды — параллельно или последовательно, почти всегда «последовательно, по одному драйверу на цепочку». Но иногда драйвер уже куплен, корпус уже собран, а разнести спектры по отдельным каналам негде. Тогда остаётся костыль — балластный резистор последовательно с той цепочкой, у которой напряжение ниже.
Логика простая. Обе цепочки висят на одной паре узлов и обязаны иметь на клеммах одинаковое напряжение. Если добавить резистор в слабую ветку, часть напряжения упадёт на нём, и суммарное напряжение ветки поднимется до уровня сильной. Ток поделится поровну.
Формула ровно одна:
R = (U_сильной − U_слабой) / I_цепочки
Считать нужно не по паспортным Vf при 25 °C, а по напряжению в рабочем нагреве — в горячем состоянии оно ниже. Для нашей пары при 700 мА на цепочку белая ветка даёт 9,18 В вместо паспортных 9,60, красная 6,20 вместо 6,60. Разница 2,97 В против 3,00 В по даташиту — в этом случае поправка мелкая, но у красных AlGaInP с их −3 мВ/К на кристалл она растёт быстро.
R = 2,97 / 0,7 = 4,2 Ом
Мощность резистора считается по обычному закону Джоуля — Ленца:
P = I² × R = 0,7² × 4,2 = 2,09 Вт
Резистор берут с двукратным запасом по рассеиванию, то есть здесь нужен минимум пятиваттный. Ближайший номинал ряда E24 — 4,3 Ом; при округлении вверх слабая ветка получит на несколько миллиампер меньше, что безопаснее, чем округлять вниз. Проверить, что вам продали именно 4,3 Ом, а не 43, удобно по цветовой маркировке резисторов↗ — на мощных проволочных резисторах полосы часто читаются неоднозначно.
В симуляторе всё это делается кнопкой «Сбалансировать ток автоматически». Она берёт выбранный ток драйвера, находит рабочие температуры обеих цепочек, вычисляет сопротивление, выставляет ползунки и сразу показывает цену вопроса. Для пары по умолчанию при 1400 мА результат: R = 4,2 Ом, ток делится 50 / 50, каждая цепочка работает на 101 % номинала — и 2,09 Вт уходит в тепло.
Вот эти 2,09 Вт и есть главный аргумент против такой схемы. Полезная мощность светодиодов 6,37 + 4,38 = 10,75 Вт, резистор сжигает ещё 2,09. Шестнадцать процентов потребления уходит на нагрев воздуха. Второй драйвер стоит дешевле, чем эти проценты за пару сезонов гроубокса, а радиатору не приходится отводить лишние ватты.
И главная ловушка: резистор рассчитан ровно на один ток. Разница напряжений между цепочками почти не зависит от тока, а сопротивление делится на ток — значит R масштабируется как 1/I. Симулятор это подтверждает: 4,2 Ом на 1400 мА, 8,4 Ом на 700 мА, 16,6 Ом на 350 мА. Ровно вчетверо больше при вчетверо меньшем токе.
Практический вывод: попробуйте в симуляторе оставить резистор 4,2 Ом и переключить драйвер с 1400 на 700 мА. Баланс разваливается до 14 / 86. Поэтому аналоговое диммирование драйвера убивает балансировку, а ШИМ-диммирование — нет: при ШИМ импульсный ток остаётся прежним, меняется только скважность.
Как правильно соединить светодиоды: почему ток делится по напряжению, а не поровну
Светодиод — это не резистор из школьного учебника. Это хитрый полупроводник. У него есть параметр Vf (Forward Voltage) — падение напряжения. Грубо говоря, это тот порог напряжения, который нужно приложить к диоду, чтобы он открылся и через него побежал ток.
Кристаллы в светодиодах не однородные. Красному диоду для открытия нужно около 2.2 Вольта. Белому или синему — около 3.2 Вольта. В нашей схеме по три диода в ряду. Значит, красная ветка просит 6.6 В, а белая — 9.6 В. Наглядно показано в виджете.
Представьте, что ток — это вода в трубе, а напряжение — это давление, которое нужно создать, чтобы пробить заглушку на конце. Драйвер начинает поднимать давление. Как только оно достигает 6.6 В, красная заглушка вылетает. Вода (ток) со свистом устремляется в образовавшуюся дыру.
Драйвер видит, что вода потекла, и перестает наращивать давление. Напряжение в системе замирает на уровне 6.6 В. А белым диодам нужно 9.6 В! Для них это давление — вообще ни о чем, их P-N переход остается наглухо закрытым. В итоге 100% тока течет через красную ветку. Белые спят, красные горят. При малых перекосах, например 8.8 вольта и 9.2 вольта, дисбаланс между цепями будет менее сильным и незначительная часть тока может проходить через цепочку с большим сопротивлением, тогда одна группа светодиодов будет светить ярко, а вторая очень слабо.
Тепловой разгон: почему даже одинаковые светодиоды расходятся
Что если взять два абсолютно одинаковых белых светодиода и запараллелить их? Они же оба хотят 3.2 В! По идее, ток должен поделиться ровно 50/50.
В идеальном вакуумном мире со сферическими диодами так и было бы. В реальности же кристаллы никогда не бывают стопроцентно одинаковыми. Даже если вы вытащили их из одной катушки, у одного Vf будет 3.19 В, а у второго 3.21 В.
Тот диод, у которого порог чуть ниже (3.19 В), откроется первым и заберет себе чуть больше тока — скажем, 55% вместо 50%. Что происходит дальше?
- Больше тока = больше нагрев.
- У светодиодов отрицательный температурный коэффициент. При нагреве их сопротивление (и Vf) падает!
- Порог открытия становится еще ниже — например, 3.15 В.
- Теперь этот диод забирает уже 70% тока.
- Греется еще сильнее. Сопротивление падает еще больше. Забирает 90% тока.
Этот процесс называется Thermal Runaway (тепловой разгон). Совсем в критической ситуации первый диод вспыхивает как сверхновая и сгорит в обрыв. Весь ток драйвера резко перекидывается на второй диод, который от такого шока тоже мгновенно отправляется к праотцам. Классический эффект домино. Опять же это больше из сферического вакуума, в реальной жизни с нормальным охлаждением даже китайские светодиоды примерно с одинаковым напряжением работают стабильно, главное не использовать их на токах близких к максимальному пределу светодиодов.
Когда параллельное подключение светодиодов всё-таки допустимо
Вы можете справедливо заметить: «Но ведь в фирменных квантум бордах куча диодов подключена параллельно, и они годами работают!». Да, это так.
Параллельное подключение светодиодов к CC-драйверу допускается при строгом соблюдении трех условий:
- Идеальная биновка. Все светодиоды в параллельных цепях должны быть абсолютно одинаковыми. Никакой мешанины из красных, синих и белых. Более того, они должны быть из одного производственного бина (сверхточной сортировки по напряжению).
- Единый радиатор. Тепловой разгон гасится за счет того, что все диоды жестко распаяны на одной массивной алюминиевой плате. Если один кристалл начинает греться больше других, тепло моментально расходится по алюминию, подогревая соседние диоды. Их температура выравнивается, Vf тоже выравнивается, и баланс тока восстанавливается.
- Жесткий андердрайвинг (Underdriving). Инженеры никогда не качают в параллельные матричные сборки максимальный ток. Диоды нагружают максимум на 85-90% их номинала. Даже если один диод заберет на себя чуть больше тока, этот перекос не убьет его, потому что до предела еще есть запас.
Вывод: если вы паяете мощные диоды (1-5 Ватт) на отдельных звездах, или собираете гирлянду из разных спектров для гроубокса – считайте напряжение на цепочках светодиодов с точностью до 0.1 вольта. В редких случаях можно использовать обычные выпрямительные диоды для выравнивания напряжений.
