Эксперимент. Параллельное соединение светодиодов. Дисбаланс токов. Experiment. Parallel LEDs

Коллеги всех приветствую!

Известно, что в некоторых светодиодных лампах, светодиоды могут соединяться не только последовательно, но и параллельно.

На практике, широко распространены два способа параллельного включения светодиодов: 1 Способ – Имеется цепочка из последовательно соединенных светодиодов и к этой же цепочке, параллельно подключается еще точно такая же одна и более светодиодная цепочка. 2 Способ – Имеется цепочка из последовательно соединенных светодиодов и к каждому светодиоду подключается 1 и более параллельный диод.

При этом в обоих способах, питание используется от одного драйвера, то есть стабилизация тока, если она есть, обеспечивается на всю группу светодиодов.

Известно, что полупроводники обладают следующими особенностями: 1 Особенность – Нелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ), что требует в качестве источника питания использовать стабилизатор ТОКА. При незначительном изменении напряжения питания, ток через диод меняется значительно. 2 Особенность – Увеличение проводимости с ростом температуры. То есть при увеличении температуры диода – его падение напряжения уменьшается, пусть и не значительно, но уменьшается. Поэтому, идеальный баланс токов в параллельно соединенных светодиодах может быть поставлен по сомнение (из-за разности температур). 3 Особенность – Разброс параметров полупроводников. При одном и том же прямом токе (If) прямое падение напряжения (Vf) у диодов одного наименования довольно близки, но все-таки отличаются, на единицы или десятки милливольт (мВ). Это особенно критично при параллельном соединении, поскольку, диоды с меньшим падением напряжения – будут загружены сильнее, а диоды с большим падением напряжения, будут менее загружены. Поскольку напряжение на параллельной группе светодиодов, будет определяться диодом с наименьшим падением напряжения.

Да, полупроводники, обладают своими особенностями, которые нужно учитывать при разработке светодиодных источников света. Тем не менее, считаю, необходимых сформулировать общих тезис, который заключается в следующем – для долговечной работы светодиодного источника света, в частности, его светодиоды, должны работать в равных, между собой, условиях, а также на параметрах, не превышающих номинальные значения, такие как температура и ток.

Цели использования параллельного включения светодиодов:

1. Увеличение надежности. Но тут нужно понимать, какой режим работы закладывается производителем.

2. Наращивание мощности. Когда требуется мощная лампа, а максимальное напряжение последовательной цепочки ограничено – необходимо параллельное включение. Коллеги, если вам известны еще какие-то весомые цели и причины использования параллельного включения диодов – прошу указать.

Вот собственно на базе вот этих двух целей мы и будем с вами сегодня производить исследования. Главная цель эксперимента – это понять, насколько на практике, реализуемы принципы наращивания мощности, а также увеличения надежности.

Испытательный стенд. И так господа, в эксперименте используется следующее оборудование:

• Блок питания HY1503 (регулируемый источник напряжения и тока),

• Мультиметр Mastech MY63,

• Мультиметр Mastech M266C,

• Паяльник, ЛТИ-120, ПОС-61, Кусачки, Провода,

• Алюминиевая плата от Navigator A60 10Вт E27 2700K,

• Светодиоды от лампы Фотон А60 15Вт 3000К (9В, 100мА),

• Резисторы цементные 5Вт, 150мОм.

Структурная схема стенда представлена на рисунке. В схеме используются четыре светодиода (LED1-LED4), катоды которых соединены вместе и подключаются к (-) стабилизатора тока. К аноду каждого диода подключен низкоомный резистор (шунт). Другие выводы шунтов (R1-R4) соединены вместе и подключены к (+) стабилизатора тока.

Предварительное исследование параметров светодиодов. Известно, что диоды работали на токе в 100мА. Предположим, что этот ток является для них номинальным. При помощи блока питания, выставим стабилизацию тока на уровне 100мА и измерим падение напряжения (VF) на каждом диоде (LED1-LED4). VF1=8,73В, VF2=8,92В, VF3=8,83В, VF4=8,82В. Из результатов видно, что при неизменном значении тока через диоды, наибольшая разница между диодами составляет 8,92-8,73=0,19В или 190мВ. Посмотрим, насколько критична эта разница.

Исследование сопротивления токовых шунтов. Как было указано ранее, в качестве токовых шунтов используются резисторы номиналом 0,15(Ом) или 150мОм. Известно, что пассивные компоненты тоже обладают некоторым допуском. Поэтому рассчитаем сопротивление каждого резистора, чтобы в дальнейшем минимизировать погрешность при исследовании. Аналогичным образом, при помощи стабилизатора тока, выставим ток на уровне 100мА и подключим к нему поочередно каждый резистор (R1-R4) и измерим падение напряжения. VR1=14.9мВ, VR2=14.8мВ, VR3=14.7мВ, VR4=14.6мВ. Зная падения напряжения и ток через резисторы, рассчитаем их сопротивления. R1=149.30 мОм, R2=148.74 мОм, R3=147.74 мОм, R4= 146,73 мОм.

Теперь нам известны характеристики светодиодов (LED1-LED4), а также параметры токовых шунтов (R1-R4) Переходим к исследованию параллельно включенных светодиодов, согласно представленной структурной схеме. Таким вот образом выглядят токоизмерительные резисторы (шунты), а также плата светодиодов на радиаторе.

И так, все подготовительные процессы завершены. Переходим к эксперименту. Расчеты указывать не буду. Только готовые результаты.

Первый эксперимент. Соединяем все элементы, согласно структурной схеме. Диоды оказываются включенными параллельно, через токовые шунты и питаются от стабилизатора тока. На выходе стабилизатора выставляем 100мА. Горят все 4-е светодиода. Измеряем значение падения напряжения на всех токовых шунтах и рассчитываем ток, через каждый светодиод.

Напряжение на резисторах: VR1=4.1мВ, VR2=3.2мВ, VR3=3.2мВ, VR4=3.6мВ.

Расчетный ток через светодиоды (При суммарном токе 100мА): IFled1=27.46мА, IFled2=21.51мА, IFled3=21.66мА, IFled4=24.53мА.

Суммарный расчетный ток: 27.46+21.51+21.66+24.53=95.2mA. Значение тока в каждом светодиоде в процентах (%) относительно суммарного расчетного тока. IFled1=28.9%, IFled2=22.6%, IFled3=22.8%, IFled4=25.8%.

Из результатов первого эксперимента следует, что светодиод Led1, обладающий наименьшим падением напряжения – наиболее загружен при параллельном соединении светодиодов. Разница между наибольшим и наименьшим значениями тока светодиодов составляет 100*(27.46-21.51)/27.46=21.66%. Является ли данная разница существенной сказать трудно. Требуются дальнейшие исследования. Некоторое влияние на цепь, конечно, оказали токовые шунты, без них разница могла быть больше.

Второй эксперимент. Первый эксперимент показал, что наиболее загруженным является светодиод LED1. Повторим все те же измерения по первому эксперименту. Но только, на этот раз, экспериментально выставим значение тока у стабилизатора тока таким, что бы в светодиоде LED1 протекал бы ток близкий к номинальному, то есть значением 100мА.

Опытным путем замечено, что ток в LED1 равен 100мА, при суммарном токе стабилизатора тока на уровне, примерно, 340мА. Произведем расчет токов через остальные диоды.

Напряжение на резисторах: VR1=14.6мВ, VR2=11.2мВ, VR3=12.6мВ, VR4=12.5мВ.

Расчетный ток через светодиоды (При суммарном токе 340мА): IFled1=97.79мА, Ifled2=75.30мА, Ifled3=85.28мА, Ifled4=85.19мА.

Суммарный расчетный ток: 97.79+75.30+85.28+85.19=343.6mA. Значение тока в каждом светодиоде в процентах (%) относительно суммарного расчетного тока. Ifled1=28.0%, Ifled2=21.9%, Ifled3=24.8%, Ifled4=24.8%.

Из результатов второго эксперимента следует, что светодиод Led1, обладающий наименьшим падением напряжения – наиболее загружен при параллельном соединении светодиодов. Разница между наибольшим и наименьшим значениями тока светодиодов составляет 100*(97.79-75.30)/97.79=23.00%.

Выводы.

1. Дисбаланс токов в светодиодах сохраняется вне зависимости от значения прямого тока через диоды. Дисбаланс токов по первому эксперименту составляет 21.66% (разница между наибольшим и наименьшим значением токов). Дисбаланс токов по второму эксперименту составляет 23.00% (разница между наибольшим и наименьшим значением токов).

2. Исследования показали, что никакого кратного увеличения тока через диоды, в зависимости от количества их штук – быть не может. Поскольку, согласно второму эксперименту, максимально допустимый ток для четырех светодиодов составляет 340мА.

3. Параллельное включение светодиодов позволяет нарастить мощность, но не кратно количеству включенных параллельно светодиодов.

4. Параллельное включение светодиодов позволяет повысить надежность при условии, что ток, подводимый к цепочке параллельно включенных светодиодов, находится на уровне близком к номинальному значению тока одного светодиода, или немного больше номинального значения одного светодиода.

Господа, готов обсуждать. Все было сделано из того, что было под рукой. Диоды выбраны случайно из одной лампы. Думаю эти резисторы частично «сгладили» дисбаланс токов. Без них было бы хуже? Или нет?