Zdroj konstantního proudu (nejen) pro LED

Světelné diody (LED) jsou v současné době nepostradatelnou součástí mnoha fyzikálních experimentů. Díky své univerzálnosti a schopnosti emitovat světlo v různých barvách se LED diody staly oblíbeným nástrojem při aditivním skládání barev, experimentech s barevnými filtry nebo jako zdroj ultrafialového světla. Avšak navzdory jejich širokému využití musí mnoho pedagogů a experimentátorů řešit ve svých konstrukcích problémy spojené se správným napájením LED.

Při použití tradičních žárovek je situace poměrně jednoduchá: Koupíme si žárovku s příslušným napájecím napětím a požadovaným výkonem. Žárovka se v blízkosti svého pracovního bodu většinou chová jako rezistor – pokud použijeme o 10 % větší napětí, dostaneme o 10 % větší proud. Naopak LED, jak jejich název napovídá, jsou v podstatě diody, a tedy nelineární spotřebiče. Proud procházející LED se mění v širokém rozsahu i při velmi malé změně napětí. Konkrétně proud, který LED prochází, závisí exponenciálně na použitém napětí. Pokud tedy použijeme o 10 % vyšší napětí na diodě, je pravděpodobné, že získáme více než o 100 % vyšší proud.

Tradičním přístupem k napájení LED diod je použití různých napájecích zdrojů, ke kterým je připojen sériový rezistor. Tento rezistor musí být pečlivě přizpůsoben konkrétní LED diodě a napájecímu zdroji, což je trochu problém. Toto řešení vyžaduje precizní nastavení, aby se předešlo poškození LED diody nebo nevhodné svítivosti.

Naštěstí existuje efektivní alternativa v podobě zdroje konstantního proudu, který zajišťuje stabilní a optimální proud pro LED diody bez ohledu na jejich specifikace. Použití takového zdroje umožňuje využívat tento napájecí obvod pro různé typy LED.

V tomto článku si ukážeme několik jednoduchých zdrojů konstantního proudu, které lze snadno sestavit z běžně dostupných elektronických součástek, které se většinou dají lehce koupit nebo je přímo máme v šuplíku.

Použití stabilizátoru LM317

Jedním z velmi často používaných zapojení je využití monolitického stabilizátoru LM317. Stabilizátor LM317 je široce používaný regulátor napětí, který ale lze použít i jako zdroj konstantního proudu. Níže uvedené schéma pochází přímo z jeho datového listu.

pouziti LM317 pro zdroj konstatniho proudu

Obr. 1 – Použití stabulizátoru LM317 jako zdroj konstatního proudu

Princip tohoto zdroje konstantního proudu je velmi jednoduchý. Protože regulátor je navržen tak, aby stále udržoval napětí 1,25 V mezi svými vývody OUT a ADJ, bude výstupní proud takový, aby na připojeném rezistoru R_S bylo zmíněných 1,25 V. Jelikož se hodnota odporu rezistoru R_s nemění, bude výstupní proud bez ohledu na připojenou LED stále konstantní a jeho velikost se bude rovnat:

I_{LED} = \frac{1,25}{R_{S}}

Například, pokud chceme, aby přes LED procházel proud 20 mA, spočítáme rezistor R_S následujícím způsobem:

R_{S} = \frac{1,25}{I_{LED}} = \frac{1,25}{20 · 10^{–3}} \approx 63 Ω

Jak doporučuje datový list stabilizátoru LM317, vstupní napětí by mělo být alespoň o 3 V vyšší než výstupní napětí. Přičteme-li k tomu ještě napětí 1,25 V, které je na rezistoru R_S, znamená to, že vstupní napětí by mělo být alespoň o 4,25 V vyšší než napětí požadované pro LED. To je poměrně hodně a tento obvod je tedy dost neefektivní. Navíc mnoho uživatelů tohoto zapojení má tendenci tuto skutečnost ignorovat a snaží se napájet vysoce výkonnou bílou LED, která vyžaduje asi 3,5 V ze zdroje 5 V. To se však pak ukáže jako nefunkční řešení, protože rozdíl mezi vstupním napětím a potřebným napětím na LED není dostatečný pro správnou funkci obvodu.

Ve své podstatě lze jako výše uvedený zdroj konstantního proudu použít jakýkoli jiný regulátor napětí, ale jak vidíme, je to velmi neefektivní řešení. Regulátory napětí nejsou primárně navrženy jako zdroje konstantního proudu, a proto jejich použití v této roli vede ke značným energetickým ztrátám. Efektivnější je použít obvody speciálně navržené pro generování konstantního proudu, které poskytují konstantní proud i bez potřeby poměrně velkého vstupního napětí.

Zdroj konstantního proudu s jedním tranzistorem

Patrně nejjednodušším zapojením konstantního proudu je následující zapojení založené na jediném tranzistoru. Tento obvod dokáže zajistit konstantní proud pro LED podobně jako předchozí zapojení. Ale jak uvidíme dále, nepotřebuje pro svou funkci zbytečně vysoké vstupní napětí.

zdroj konstatniho proudu s jednim tranzistorem

Obr. 2 – Schéma zdroje konstatního proudu s jedním tranzistorem

Pojďme si vysvětlit, jak to celé funguje:

Diody napájené přes rezistor R₁ vytváří relativně stabilní napětí 1,4 V. Toto napětí se rozdělí mezi PN přechod tranzistoru (báze-emitor) a rezistor R_S. Protože přechod BE je vlastně také dioda, napětí na tomto přechodu je asi 0,7 V. Zbývajících 0,7 V je na rezistoru R_S.
Abychom nastavili proud protékající LED diodou, musíme určit velikost odporu rezistoru R_S tak, aby při zadaném proudy na něm bylo zmíněné napětí 0,7 V. Hodnotu vypočítáme pomocí Ohmova zákona:

I_{LED} = \frac{0,7}{R_{S}}

Například, pokud chceme, aby přes LED procházel proud 20 mA, bude rezistor R_S: (výsledek je „zaokrouhlený“ na dostupnou hodnotu v prodávané řadě standartních rezistorů):

R_{S} = \frac{0,7}{I_{LED}} = \frac{0,7}{20 · 10^{–3}} \approx 36 Ω

Samotná hodnota rezistoru R₁ není nikterak kritická, ale je třeba si uvědomit, že je přes něj třeba dodat dostatečný proud bázi tranzistoru a diodám. Proud bází tranzistoru určuje proud protékajícím přes LED. Proudové zesílení udává tzv. proudový zesilovací činitel β (resp. h_21E), proud bází by tedy měl být β-krát menší než proud přes LED. Z datového listu použitého tranzistoru zjistíme zesilovací činitel β a podle jeho hodnoty pak určíme velikost R₁. Například tranzistor BC547, což je běžný malý signálový tranzistor, známý svou spolehlivostí a snadnou dostupností, má dle svého datového listu typické zesílení 110–220. Budeme tedy uvažovat s hodnotou zesílení někde kolem β = 200. Při proudu 20 mA přes LED, budeme potřebovat bázový proud 0,1 mA. Pokud diodami proteče 1 mA, potřebujeme, aby přes rezistor R₁ celkem protékal proud 1,1 mA. Pro ukázkový výpočet R₁ použijeme kupříkladu napětí zdroje 4,5 V (výsledek opět „zaokrouhlený“ na dostupnou hodnotu v prodávané řadě standartních rezistorů):

R_{1} = \frac{4,5 - 1,4}{1,1 · 10^{–3}} \approx 2700 Ω

Aby obvod fungoval správně, musí být vstupní napětí alespoň o 1 V vyšší než napětí potřebné pro LED. To je kvůli napěťovým úbytkům na R_S (0,7 V) a mezi kolektorem a emitorem tranzistoru (minimálně 0,3 V).

Ještě v samém závěru je třeba si uvědomit, že tranzistor bude muset „držet“ celý rozdíl mezi napájecím napětím a napětím na LED (tedy, kromě úbytku 0,7 V na rezistoru R_S). Z tohoto důvodu je třeba výkonově vybrat tranzistor, který dokáže rozptýlit minimálně o 50 % více tepla, než očekáváme. To je důležité zejména pokud chceme napájet některou z výkonných LED. Pochopitelně bychom měli pro jistotu zkontrolovat i výkon na rezistoru R_S, zde bychom měli volit alespoň dvojnásobek spočítané hodnoty.

Výkon na tranzistoru (napájení 4,5 V, použitá červená LED 1,79 V/20 mA):

P_{T} = (U_{napájení} - U_{LED}) \cdot I_{LED} = (4,5 - 1,79) \cdot 0,02 = 54 mW

Výkon na rezistoru R_S:

P_{S} = U_{Rs} \cdot I_{LED} = 0,7 \cdot 0,02 = 14 mW

S ohledem na to, že maximální ztrátový výkon tranzistoru BC547 je 500 mW a standardního metalizovaného rezistoru 250 mW, jsme dalece pod kritickými hodnotami.

Výhodou tohoto zapojení je pochopitelně jeho jednoduchost i fakt, že vstupní napětí může být vyšší jen asi o jeden volt. Naopak určitou nevýhodou je omezení na maximální napájecí napětí s ohledem na ztrátový výkon na použitém tranzistoru.

Zdroj konstantního proudu s dvěma tranzistory

Princip následujícího obvodu je sice na první pohled složitější, ale stále zůstává jednoduchý, snadno pochopitelný a dobře realizovatelný s minimem použitých součástek. Podívejme se na schéma a postupně si rozebereme funkčnost celého zapojení.

zdroj konstatniho proudu s dvema tranzistory

Obr. 3 – Schéma zdroje konstatního proudu s dvěma tranzistory

Pokud by v obvodu byl pouze tranzistor T1, rezistor R₁ by poskytoval dostatek proudu pro úplné otevření tranzistoru. To by znamenalo, že se tranzistor T1 zcela otevře a proud procházející LED diodou by nebyl nijak omezován. To by pochopitelně dříve či později vedlo k přehřátí LED a jejímu úplnému zničení.

Jakmile však do zapojení přidáme tranzistor T2, dojde při dosažení určitého proudu k tomu, že napětí na rezistoru R_S (0,7 V) otevře tranzistor T2. Ten začne „spotřebovávat“ část proudu, který přitéká přes rezistor R₁. Tím se snižuje proud do báze T1 a tranzistor se začíná zavírat. Zmenšený proud přes tranzistor T1 však snižuje napětí na R_S, což zavírá tranzistor T2. Tím pádem začíná protékat větší proud bází tranzistoru T1 a tranzistor se opět otvírá. Tím se zvyšuje napětí na rezistoru R_S, které opět otevírá tranzistor T2, který zavírá tranzistor T1. Celý tento proces zajišťuje, že napětí na rezistoru R_S je stále 0,7 V a díky tomu je proud procházející LED diodou konstantní. Pro proud přes LED v závislosti na R_S, tranzistor T1 a rezistor R₁ platí stejná pravidla jako v předešlém zapojení.

Zatímco tranzistor T1 musí být opět zvolen tak, aby byl schopen vydržet potřebný ztrátový výkon, tranzistor T2 může být obecně nízkovýkonový, neboť proud přes něj procházející je výrazně nižší.

Podobně jako u předešlého zapojení, zkusíme si spočítat konkrétní hodnoty použitých součástek pro červenou LED (U_LED = 1,79 V) s požadovaným proudem 20 mA. Pro stavbu můžeme použít dvojici tranzistorů BC547 (β = 200), lepší by však bylo jako tranzistor T1 použít nějaký výkonější tranzistor, například BD139 (β = 100). Zapojení pak bude použitelné i pro možný větší odebíraný proud.

Uvážíme-li, že při požadovaném proudu 20 mA přes LED a rezistor R_S, bude na rezistor R_S napětí 0,7 V (napětí na BE přechodu tranzistoru T2), opět získáváme pro velikost R_s hodnotu 36 Ω (viz dříve).

Ani získání hodnoty odporu rezistoru R₁ pro nás nebude překvapením, uvážíme-li, že napětí, které musíme od napájecího napětí odečíst, je opět dvakrát 0,7 V. Prvních 0,7 V za napětí na BE přechodu tranzistoru T1 a 0,7 V za napětí na rezistoru R_S. Výpočet hodnoty odporu R₁ je obdobný předešlému zapojení. Jen je třeba si uvědomit, že nyní proud procházející přes rezistor R₁ představuje pouze bázový proud do tranzistoru T1. V případě napájení 4,5 V a výstupního proudu 20 mA je hodnota R₁ při použití tranzistoru BC547 (β = 200) asi 30 kΩ a u tranzistoru BD139 (β = 100) poloviční.

Obdobně jako v předešlém zapojení je to i s případným ztrátovým výkonem na tranzistoru T1 a rezistoru R_S.

Přidaná hodnota zapojení s dvěma tranzistory:

Jednou ze zajímavých vlastností tohoto zapojení je možnost montáže tranzistoru T2 na chladič používaný pro výkonné LED. Toto řešení nám poskytuje určitou formu tepelné kompenzace, protože jakmile se LED zahřívají, proud jimi procházející se automaticky sníží, což pomáhá udržet jejich teplotu v bezpečných mezích. Tento mechanismus je zvláště užitečný v aplikacích, kde jsou LED použity pro nepřetržitý provoz a jejich teplota se může např. dle okolních podmínek zvyšovat.
Další výhodou tohoto obvodu je, že můžeme tranzistor T1 nahradit výkonovým MOSFET tranzistorem. Jednou z hlavních výhod MOSFET tranzistoru je, že nepotřebuje ke svému provozu proud do řídicího hradla (gate), což znamená, že proud procházející rezistorem R₁ je výrazně menší. Navíc, díky nižšímu odporu MOSFET tranzistoru při sepnutí může být na něm pokles napětí mnohem nižší. To ale závisí na konkrétním typu MOSFET tranzistoru a proudu procházejícím LED diodou. Například pokud je proud procházející LED diodou 35 mA a odpor tranzistoru při sepnutí 0,1 Ω, pak je pokles napětí na MOSFET tranzistoru pouze 3,5 mV. To znamená, že napájecí napětí může být vyšší pouze o 0,6–0,7 V než požadované napětí pro LED diody, což zvyšuje celkovou účinnost obvodu a snižuje ztráty energie.

Přidaná hodnota zdrojů konstatního proudu s tranzistory

Oproti zapojení se stabilizátorem LM317 disponují zde uvedená „tranzistorová“ zapojení konstantního proudu ještě jednou výhodou. Pokud si uvědomíme, že řídicí proud tekoucí přes R₁ do báze tranzistoru můžeme přivést i z jiného zdroje, než je napájecí zdroj pro LED, můžeme náš zdroj konstantního proudu začít zapínat/vypínat pomocí řídicího signálu. Jako příklad si můžeme představit rozsvěcení výkonné LED, kterou chceme napájet konstantním proudem, pomocí nějakého mikrokontroléru (např. modul Arduino). Dokonce pokud budeme do báze tranzistoru přes rezistor R₁ pouštět PWM signál, můžeme výkonnou LED docela efektivně regulovat.

Následující schémata (přejato z [1]) ukazují modifikaci předešlých dvou základních zdrojů konstantního proudu pro LED připojené k PWM výstupu mikrokontroléru.

PWM zdroj konstatniho proudu s jednim tranzistorem

Obr. 4 – Úprava zdroje konstatního proudu s jedním tranzistorem pro řízení PWM pomocí mikrokontroléru

PWM zdroj konstatniho proudu s dvema tranzistory

Obr. 5 – Úprava zdroje konstatního proudu s dvěma tranzistory pro řízení PWM pomocí mikrokontroléru

Jak vidíme, PWM signál je přes R₁ přiveden na bázi tranzistoru. Velikost rezistoru je třeba určit úplně stejně jako v předešlých zapojeních, jen je třeba si uvědomit, že pro určení hodnoty R₁ je třeba uvažovat s napětím daným napěťovou úrovní použitého mikrokontoléru (například 3,3 V nebo 5 V).

Zdroje:: [1] RADUCANU, Bogdan. Linear LED power supplies. Online. Electro Bob. 2010.
Dostupné z:https://www.electrobob.com/linear-led-power-supplies/. [cit. 2025-01-31].