📋 Оглавление
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...
Поклацайте рубильники в симуляторе паралельнорго подключения светодиодов
В виджете выше я собрал классическую схему с параллельным соединением. У нас есть крутой, надежный драйвер, который честно пытается выдать свои 700 миллиампер. И есть два канала. На первом висят три белых светодиода, на втором — три красных (660 нм).
Если замыкать рубильники попеременно — все работает идеально. Но стоит включить их одновременно (то есть запараллелить), происходит перекос тока: белые диоды тухнут в ноль, а красные берут на себя весь ток в 700 мА и светят на полную мощность.
Почему драйвер не поделил ток по-братски, по 350 мА на ветку? Физика - бессердечная штука. Ток делится не по понятиям, а по сопротивлению, кто не сопротивляется, тот получает больше. На красных светодиодах суммарное падение напряжения меньше, значит значительно меньше сопротивление, значит весь ток проходит только через них.
Ток ленивый! или правило наименьшего сопротивления
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.
Эффект теплового разгона
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.
Золотое правило: когда параллелить все-таки можно?
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.
- Жест
