📋 Зміст
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...
Поклацайте рубильники в симуляторі
У віджеті вище я зібрав класичну схему з паралельним з'єднанням. У нас є крутий, надійний драйвер, який чесно намагається видати свої 700 міліампер. І є два канали. На першому висять три білі світлодіоди, на другому — три червоні (660 нм).
Якщо замикати рубильники по черзі — все працює ідеально. Але варто увімкнути їх одночасно (тобто запаралелити), відбувається перекіс струму: білі діоди гаснуть в нуль, а червоні беруть на себе весь струм у 700 мА і світять на повну потужність.
Чому драйвер не поділив струм по-братськи, по 350 мА на гілку? Фізика — безсердечна штука. Струм ділиться не «за поняттями», а за опором: хто не чинить опору, той отримує більше. На червоних світлодіодах сумарне падіння напруги менше, отже, значно менший опір, тому весь струм проходить тільки через них.
Струм ледачий! Або правило найменшого опору
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 неоднорідні. 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. Це 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 підвищувати тиск. Як тільки він 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, між ланцюгами буде менш сильний перекіс і незначна частина струму може проходити через ланцюжок з більшим опором, тоді одна група світлодіодів світитиме яскраво, а друга дуже слабо.
Ефект теплового розгону
Що якщо взяти два абсолютно однакових білих 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, у одного Vf буде 3.19 В, а у 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.
- Світлодіоди мають 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. Увесь 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.
Золоте правило: коли паралелити все ж таки можна?
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 за суворого дотримання трьох умов:
- Ідеальне біннування. Усі світлодіоди в паралельних ланцюгах мають бути абсолютно однаковими. Ніякої мішанини з червоних, синіх і білих. Більше того, вони повинні 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 інші, тепло вмить розходиться по алюмінію, підігріваючи сусідні діоди. Їхня температура вирівнюється, Vf теж вирівнюється, і баланс струму відновлюється.
- Жорсткий андердрайвінг (Underdriving). Інженери ніколи не вкачують у паралельні матричні збірки максимальний струм. Діоди навантажують максимум на 85-90% від 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. В окремих випадках можна використовувати звичайні випрямні діоди для вирівнювання напруг.
