Чому не всі світлодіоди світять при паралельному підключенні?
Зібрати "люстру" з купи різних світлодіодів і заживити їх від одного потужного драйвера — звучить як чудовий план, щоб заощадити гроші та час. Шкода тільки, що цей план зазвичай не працює і доводиться ретельно вибирати світлодіодний драйвер, іноді навіть використовувати два драйвери одночасно.
Найгірший сценарій виглядає так:
1. збираємо ланцюги зі світлодіодів на радіаторі;
2. підключаємо зібрану конструкцію до драйвера;
3. вмикаємо драйвер у мережу;
4. Спалах, і половина світлодіодів відправляється у смітник. Зате яскраво було...
Як підключити світлодіоди паралельно: розбираємося на симуляторі
У віджеті вище зібрана класична схема паралельного з'єднання. Драйвер стабільного струму на 1400 мА — рівно стільки, скільки потрібно двом ланцюжкам по 700 мА кожен. Саме так міркує більшість, коли вирішує заощадити на другому драйвері. Далі два канали: на першому три білих світлодіоди 5000 K, на другому три червоних 660 нм.
Почніть із рубильників. Замикайте їх по черзі — працює кожен ланцюжок. Замкніть обидва відразу, тобто зберіть справжній паралельний контур, і картина ламається: шина просідає до 6,4 В, амперметр білого каналу показує нуль, а червоний забирає всі 1400 мА. Це 200 % його номіналу. Через півхвилини температура переходу йде за 115 °C при паспортній межі 110 °C, і віджет вмикає червоний вердикт.
Зверніть увагу, що відбувається при розімкнутому другому рубильнику. Залиште ввімкненим тільки білий канал: він теж отримує всі 1400 мА і розігрівається до 156 °C. Це не абстракція — рівно так поводиться схема, коли один із двох ланцюжків іде в обрив. Канал, що вижив, миттєво отримує подвійний струм.
Далі починається найкорисніше. Симулятор не показує один заздалегідь записаний сценарій — у ньому можна зібрати будь-яку пару.
Селектор струму драйвера. Клацніть по цифрі прямо на корпусі драйвера або виберіть значення у списку: 350, 700, 1050 або 1400 мА. Перекіс зберігається за будь-якого струму, змінюється тільки тяжкість наслідків. При 350 мА червоний ланцюжок працює на 50 % номіналу і живе, при 1400 мА — на 200 % і вмирає. Струм драйвера не вирішує проблему паралельного підключення, він лише визначає, як швидко ви її помітите.
Кількість світлодіодів у ланцюжку. Тут ламається найпоширеніша помилка. Здається, що достатньо зрівняти типи світлодіодів, але рахувати потрібно напругу ланцюжка цілком. Поставте у другий канал п'ять червоних замість трьох: 5 × 2,2 = 11 В проти 9,6 В у білих, і домінування перевертається — тепер білі забирають 98 % струму, а червоні гаснуть. Той самий ефект, тільки дзеркальний.
Галочка теплового зворотного зв'язку. Зніміть її та поставте 3 білих проти 4 червоних. Напруги майже збігаються, 9,6 В проти 8,8 В, і струм ділиться 26 / 74 — терпимо. Тепер поверніть галочку. Червоний ланцюжок гріється, його Vf падає, він забирає ще більше струму, гріється сильніше — і через хвилину поділ стає 4 / 96, а перехід червоних доходить до 111 °C. Це і є тепловий розгін, побачений у динаміці, а не описаний словами.
Рядок «Відносний вихід». Ще одна річ, яку неможливо показати статичною картинкою. Червоний AlGaInP втрачає близько 0,6 % світлового потоку на кожен градус нагрівання. Розігнавши червоний ланцюжок до 115 °C, ви отримуєте вдвічі більший струм і при цьому втрачаєте половину світловіддачі кожного кристала. Схема жере 9 Вт замість 4,35 і світить гірше, ніж при штатному режимі.
Якщо після експериментів стало ясно, що одним драйвером тут не обійтися, далі стане в нагоді стаття як підібрати драйвер для світлодіодів↗ — там розбір за струмом, вікном напруги та запасом потужності з підбором конкретної моделі з бази.
Розрахунок балансувальних резисторів: коли паралельне і послідовне з'єднання доводиться змішувати
Правильна відповідь на питання, як краще підключати світлодіоди — паралельно чи послідовно, майже завжди «послідовно, по одному драйверу на ланцюжок». Але іноді драйвер уже куплено, корпус уже зібрано, а рознести спектри по окремих каналах ніде. Тоді залишається милиця — баластний резистор послідовно з тим ланцюжком, у якого напруга нижча.
Логіка проста. Обидва ланцюжки висять на одній парі вузлів і зобов'язані мати на клемах однакову напругу. Якщо додати резистор у слабку гілку, частина напруги впаде на ньому, і сумарна напруга гілки підніметься до рівня сильної. Струм поділиться порівну.
Формула рівно одна:
R = (U_сильної − U_слабкої) / I_ланцюжка
Рахувати потрібно не за паспортними Vf при 25 °C, а за напругою в робочому нагріванні — у гарячому стані вона нижча. Для нашої пари при 700 мА на ланцюжок біла гілка дає 9,18 В замість паспортних 9,60, червона 6,20 замість 6,60. Різниця 2,97 В проти 3,00 В за даташитом — у цьому випадку поправка дрібна, але у червоних AlGaInP з їхніми −3 мВ/К на кристал вона зростає швидко.
R = 2,97 / 0,7 = 4,2 Ом
Потужність резистора рахується за звичайним законом Джоуля — Ленца:
P = I² × R = 0,7² × 4,2 = 2,09 Вт
Резистор беруть із двократним запасом з розсіювання, тобто тут потрібен мінімум п'ятиватний. Найближчий номінал ряду E24 — 4,3 Ом; при округленні вгору слабка гілка отримає на кілька міліампер менше, що безпечніше, ніж округляти вниз. Перевірити, що вам продали саме 4,3 Ом, а не 43, зручно за кольоровим маркуванням резисторів↗ — на потужних дротяних резисторах смуги часто читаються неоднозначно.
У симуляторі все це робиться кнопкою «Збалансувати струми автоматично». Вона бере обраний струм драйвера, знаходить робочі температури обох ланцюжків, обчислює опір, виставляє повзунки і відразу показує ціну питання. Для пари за замовчуванням при 1400 мА результат: R = 4,2 Ом, струм ділиться 50 / 50, кожен ланцюжок працює на 101 % номіналу — і 2,09 Вт іде в тепло.
Ось ці 2,09 Вт і є головний аргумент проти такої схеми. Корисна потужність світлодіодів 6,37 + 4,38 = 10,75 Вт, резистор спалює ще 2,09. Шістнадцять відсотків споживання йде на нагрівання повітря. Другий драйвер коштує дешевше, ніж ці відсотки за пару сезонів гроубокса, а радіатору не доводиться відводити зайві вати.
І головна пастка: резистор розрахований рівно на один струм. Різниця напруг між ланцюжками майже не залежить від струму, а опір ділиться на струм — отже, R масштабується як 1/I. Симулятор це підтверджує: 4,2 Ом на 1400 мА, 8,4 Ом на 700 мА, 16,6 Ом на 350 мА. Рівно вчетверо більше при вчетверо меншому струмі.
Практичний висновок: спробуйте в симуляторі залишити резистор 4,2 Ом і переключити драйвер з 1400 на 700 мА. Баланс розвалюється до 14 / 86. Тому аналогове димування драйвера вбиває балансування, а ШІМ-димування — ні: при ШІМ імпульсний струм залишається колишнім, змінюється тільки шпаруватість.
Як правильно з'єднати світлодіоди: чому струм ділиться за напругою, а не порівну
Світлодіод — це не резистор зі шкільного підручника. Це хитрий напівпровідник. У нього є параметр Vf (Forward Voltage) — падіння напруги. Грубо кажучи, це той поріг напруги, який потрібно прикласти до діода, щоб він відкрився і через нього побіг струм.
Кристали у світлодіодах не однорідні. Червоному діоду для відкриття потрібно близько 2.2 Вольта. Білому або синьому — близько 3.2 Вольта. У нашій схемі по три діоди в ряду. Отже, червона гілка просить 6.6 В, а біла — 9.6 В. Наочно показано у віджеті.
Уявіть, що струм — це вода в трубі, а напруга — це тиск, який потрібно створити, щоб пробити заглушку на кінці. Драйвер починає піднімати тиск. Як тільки воно досягає 6.6 В, червона заглушка вилітає. Вода (струм) зі свистом спрямовується в утворену дірку.
Драйвер бачить, що вода потекла, і перестає нарощувати тиск. Напруга в системі завмирає на рівні 6.6 В. А білим діодам потрібно 9.6 В! Для них цей тиск — взагалі ні про що, їхній P-N перехід залишається наглухо закритим. У підсумку 100% струму тече через червону гілку. Білі сплять, червоні горять. При малих перекосах, наприклад 8.8 вольта і 9.2 вольта, дисбаланс між ланцюгами буде менш сильним і незначна частина струму може проходити через ланцюжок з більшим опором, тоді одна група світлодіодів буде світити яскраво, а друга дуже слабо.
Тепловий розгін: чому навіть однакові світлодіоди розходяться
Що якщо взяти два абсолютно однакові білі світлодіоди і запаралелити їх? Вони ж обидва хочуть 3.2 В! За ідеєю, струм має поділитися рівно 50/50.
В ідеальному вакуумному світі зі сферичними діодами так і було б. У реальності ж кристали ніколи не бувають стовідсотково однаковими. Навіть якщо ви витягли їх з однієї котушки, в одного Vf буде 3.19 В, а в другого 3.21 В.
Той діод, у якого поріг трохи нижчий (3.19 В), відкриється першим і забере собі трохи більше струму — скажімо, 55% замість 50%. Що відбувається далі?
- Більше струму = більше нагрівання.
- У світлодіодів негативний температурний коефіцієнт. При нагріванні їхній опір (і Vf) падає!
- Поріг відкриття стає ще нижчим — наприклад, 3.15 В.
- Тепер цей діод забирає вже 70% струму.
- Гріється ще сильніше. Опір падає ще більше. Забирає 90% струму.
Цей процес називається Thermal Runaway (тепловий розгін). Зовсім у критичній ситуації перший діод спалахує як наднова і згорить в обрив. Весь струм драйвера різко перекидається на другий діод, який від такого шоку теж миттєво відправляється до праотців. Класичний ефект доміно. Знову ж таки це більше зі сферичного вакууму, в реальному житті з нормальним охолодженням навіть китайські світлодіоди приблизно з однаковою напругою працюють стабільно, головне не використовувати їх на струмах близьких до максимальної межі світлодіодів.
Коли паралельне підключення світлодіодів все ж таки припустиме
Ви можете справедливо зауважити: «Але ж у фірмових квантум бордах купа діодів підключена паралельно, і вони роками працюють!». Так, це так.
Паралельне підключення світлодіодів до CC-драйвера допускається при суворому дотриманні трьох умов:
- Ідеальне бінування. Всі світлодіоди в паралельних ланцюгах мають бути абсолютно однаковими. Ніякої мішанини з червоних, синіх і білих. Більш того, вони мають бути з одного виробничого біна (надточного сортування за напругою).
- Єдиний радіатор. Тепловий розгін гаситься за рахунок того, що всі діоди жорстко розпаяні на одній масивній алюмінієвій платі. Якщо один кристал починає грітися більше за інших, тепло моментально розходиться по алюмінію, підігріваючи сусідні діоди. Їхня температура вирівнюється, Vf теж вирівнюється, і баланс струму відновлюється.
- Жорсткий андердрайвінг (Underdriving). Інженери ніколи не качають у паралельні матричні збірки максимальний струм. Діоди навантажують максимум на 85-90% їхнього номіналу. Навіть якщо один діод забере на себе трохи більше струму, цей перекіс не вб'є його, тому що до межі ще є запас.
Висновок: якщо ви паяєте потужні діоди (1-5 Ват) на окремих зірках, або збираєте гірлянду з різних спектрів для гроубокса – рахуйте напругу на ланцюжках світлодіодів з точністю до 0.1 вольта. У рідкісних випадках можна використовувати звичайні випрямні діоди для вирівнювання напруг.
