Chia sẻ về driver trong đèn pin

Bài mình lược dịch của thành viên lagman trên BLF forum, bài này mình đã đăng khá lâu giờ up lại. Đây chỉ là những dạng cơ bản trong đèn pin, còn có thể có nhiều loại driver khác nữa. Một số chỗ có thể chưa đúng hoặc sai sót, mong các bạn góp ý.

Link bài gốc tại đây.

Hình ảnh: Google, lygte-info và Blf forum, mtn electronic, luxrc

DIRECT DRIVE (dòng điện trực tiếp)

Đây là thiết kế đơn giản nhất và rẻ nhất. Như tên gọi của nó, dòng điện dẫn trực tiếp từ pin đến LED, đôi khi thêm vào mốt số điện trở để hạ áp cho phù hợp với led, driver này khá giống như đèn pin bóng dây tóc cũ. Đôi khi có một chip điều khiển và transistor đóng ngắt để tạo các chế độ (Cao, Thấp, Nhấp nháy, v.v.) bằng BẬT và TẮT cực nhanh bóng LED. Đó được gọi là PWM. Thường sử dụng trong đèn pin cần dòng lớn (blf A6 là một ví dụ con đèn dùng driver Direct drive). Nó cũng được sử dụng trong đèn pin giá rẻ. Trong đèn pin direct drive, điện áp của pin phải bằng hoặc cao hơn điện áp của đèn LED (Pin kiềm hoặc NiMH không thể cấp nguồn cho đèn LED 3V sử dụng driver direct drive).

Ưu điểm:

• Giá rất rẻ.
• Dễ chế tạo vì rất đơn giản.

Nhược điểm:

• Dòng điện thay đổi rất nhiều theo điện áp của pin! Nếu điện trở được thêm vào để hạn chế dòng điện, hiệu suất có thể thấp hơn so với trình điều khiển tuyến tính Linear.
• Điện áp của pin phải cao hơn điện áp LED (~ 3V) nhưng không quá cao hơn(vì có thể gây cháy led)
• Không thể sử dụng trong đèn có nhiều pin mắc nối tiếp.

LINEAR (Tuyến tính)

Khá giống với đèn pin direct drive với điện trở để hạn chế dòng điện (hạ áp pin xuống gần điện áp LED). Sự khác biệt là giá trị điện trở được điều chỉnh liên tục để tạo ra một dòng điện không đổi (constant current), ĐIỆN ÁP DƯ THỪA SẼ CHUYỂN THÀNH NHIỆT. Điều đó là nhờ có bộ điều chỉnh tuyến tính (regulator). Hầu hết các driver sử dụng chip 7135 (khá quen thuộc với các đèn pin convoy) làm bộ điều chỉnh tuyến tính. Mỗi chip sẽ cung cấp dòng điện 0,35A cho LED. Một trình điều khiển có bốn chip 7135 sẽ cung cấp 4x 0.35A=1,4A dòng điện không đổi cho LED. Đây cũng là driver rất đơn giản. Nhin vào một số driver có thể thấy chip điều khiển (MCU, PIC…để tạo ra các chế độ bằng cách tắt mở số lượng chip 7135) được bao quanh bởi chip 7135. Mặc dù driver thông minh hơn một chút nhưng về cơ bản nó vẫn dùng điện trở để hạn chế dòng điện! Cho nên ko bao giờ có thể tăng điện áp pin (khi pin sắp cạn 2.5-2.9V) hơn để cung cấp cho LED điện áp cần thiết (thường là 3 – 3,3V). Đây là driver tốt cho đèn pin sử dụng 1 bóng LED đơn và 1 pin lithium. Pin có điện áp từ 3 – 4,2V và LED khoảng 3 – 3,3V cho nên trong hầu hết thời gian pin xả điện, dòng điện sẽ không đổi (cho đến khi pin có điện áp thấp hơn LED thì LED sẽ không sáng nữa). Driver linear tuyến tính có một điện trở thay đổi để đốt cháy bất kỳ điện áp dư thừa nào (chuyển thành nhiệt) để giảm điện áp xuống 3V cho LED. Có nghĩa là với pin đã sạc đầy, hiệu suất sẽ thấp hơn so với khi pin đã sắp cạn.

Hiệu suất = VLED / V-Pin *100%. Ví dụ:

• Hiệu suất = 3,3V / 4,2V = 78% (pin đầy)
• Hiệu suất = 3,3V / 3,7V = 89% (pin 50%)
• Hiệu suất = 3,3V / 3,3V = 100% (pin sắp cạn)

Khi điện áp pin trở nên quá thấp, driver tuyến tính sẽ giảm điện trở xuống mức tối thiểu, để cấp nguồn cho LED cho đến khi cạn (nhưng sáng mờ hơn)…

Ưu điểm:

• Đơn giản, khá hiệu quả nếu được sử dụng trong cấu hình đèn pin 1 LED đơn – 1 cell pin.
• Dòng điện không đổi cho hầu hết quá trình xả của pin (không có PWM)

Nhược điểm:

• Điện áp của pin phải cao hơn điện áp LED (~ 3V) nhưng không quá cao vì sẽ làm hỏng ic 7135.
• Không thể sử dụng nếu có nhiều pin Li-ion mắc nối tiếp.
• Họ DRIVER dựa vào thiết kế nguồn xung SMPS (Switched-Mode Power Supply)

BUCK (hạ áp)

Đây còn được gọi là Step-down converter, và là một phần của họ nguồn xung SMPS. Nó dễ dàng nhận ra nhờ vào cuộn cảm lớn trên mạch. Tóm lại, nó sử dụng một cuộn cảm và tụ điện và một trasistor tạo xung để giảm điện áp. So với driver linear (7135), driver Buck sẽ có hiệu suất khá ổn định (75% đến 95% tuỳ thiết kế) ngay cả khi điện áp pin cao hơn nhiều so với điện áp LED. Nó có thể được sử dụng để cấp nguồn cho một đèn LED đơn với 2 hoặc nhiều pin mắc nối tiếp. Mạch Buck được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị (PC, TV, điện thoại thông minh, máy tính bảng, v.v.) vì nó có hiệu suất tốt và tiết kiệm năng lượng.

Ưu điểm:

• Sử dụng được với pin có điện áp cao hơn nhiều so với điện áp của LED. Ví dụ: 3 pin lithium mắc nối tiếp sẽ tạo ra khoảng 11V. Trong trường hợp đó, cần dùng driver Buck để điều khiển đèn LED có điện áp 3V.
• Hiệu suất tốt nếu được thiết kế tốt và PWM gần như không có (tốt cho người nhạy cảm với sự nháy của LED).

Nhược điểm:

• Khá đắt tiền (vì cần thêm nhiều linh kiện hơn như cuộn cảm, tụ….)
• Điện áp của pin phải cao hơn điện áp LED.
• Mạch phức tạp và cồng kềnh hơn.

BOOST (tăng áp)

Đây còn được gọi là Step-up converter, và là một phần của họ Nguồn xung SMPS, dễ dàng nhận ra nhờ vào cuộn cảm lớn. Nó rất giống với driver Buck, nhưng nó sẽ làm tăng điện áp. Thường được sử dụng trong đèn pin sử dụng một hoặc hai pin AA / AAA. Hai pin AA mắc nối tiếp sẽ có điện thế thay đổi trong khoảng từ 2V đến 3V. Đèn LED cần ~ 3.3V vì vậy điện áp cần được tăng lên. Nó cũng có thể được sử dụng để cấp nguồn cho một chuỗi LED mắc nối tiếp (3 LED nối tiếp sẽ cần khoảng 10V) hoặc bóng LED cần điện thế cao (VD: XHP-70 6V-12V, SST-70 6V) với một pin lithium duy nhất.

Ưu điểm:

• Có thể được sử dụng với pin có điện áp thấp hơn điện áp LED.
• Hiệu suất tốt nếu được thiết kế tốt và PWM gần như không có (tốt cho người nhạy cảm với sự nháy)

Nhược điểm:

• Khá đắt tiền (vì cần thêm nhiều linh kiện hơn như cuộn cảm, tụ….)
• Nếu điện áp pin hạ quá thấp driver sẽ ngừng hoạt động.
• Mạch phức tạp và cồng kềnh hơn.

Một số loại driver nữa có cũng thuộc dạng SMPS nhưng ko thuộc hẳn vào trường phái buck hay boost, có thể kể ra là:

Buck-Boost / Boost-Buck nối tiếp (Cascaded buck-boost/boost-buck):

Về căn bản là một mạch buck (hoặc boost) nối tiếp theo là mạch boost (hoặc buck). Mục đích của loại driver này là để có được điện áp đầu ra LED cố định từ một đầu vào biến thiên nhiều mức điện áp (có lẽ thường thấy trong các đèn dùng được nhiều loại pin như: AA + liion 14500 hay 2xCR123 + liion 18650….)

Điển hình cho driver này là driver của một con đèn Tàu là Convoy T4 (vừa dùng đc 2 pin AA vừa dùng được 2 pin 14500. Cây này sẽ ở chế độ boost-buck liên tiếp khi dùng pin aa (2×1.5v là 3V sẽ boost lên 1 điện áp nhất định như 4V nhằm ổn định vì pin aa giảm áp dần trong lúc xả rồi sau đó mạch buck nối tiếp theo sau sẽ giảm từ 4V đó ra khoảng 3V cho led) và nó sẽ passthrough mạch boost chỉ dùng phần buck khi dùng 2 pin 14500 (8.4V sẽ passthrough qua mạch boost đến thẳng mạch buck giảm áp xuống còn 3V ra LED)

Buck/boost (NON cascaded) hay chính xác hơn là 4-switch buck/boost (synchonous dc-dc)

Đây là một mạch chuyển đổi điện áp mạnh mẽ hơn vì nó không cần yêu cầu điện đầu vào hay đầu ra phù hợp với tải mà sẽ tự động điều chỉnh cho phù hợp. Ví dụ pin 1.5V led 3V mạch sẽ ở chế độ boost, còn pin liion 4.2V led 3V mạch sẽ ở chế độ buck. Mạch này khác với cascaded ở trên vì cả phần buck và boost hoà trộn hoạt động với nhau chứ không tách riêng và nối tiếp như kiểu Cascaded (đầu ra mạch này là đầu vào mạch kia).

Loại cascaded nối tiếp cần 2 cuộn cảm (1 cho mỗi mạch buck/boost riêng rẽ) còn 4 switch sync buck/boost thì không nó chỉ cần một cuộn cảm duy nhất, phần điều khiển điện áp ra sẽ phụ thuộc vào 4 transistor của nó (nên mới có chữ “4 switch”)

Video Youtube khá dễ hiểu về mạch buck và boost

Giải thích về PWM (Pulse width modulation)

PWM có nghĩa là Điều chế độ rộng xung. Đó là một cách để kiểm soát độ sáng của đèn pin bằng cách bật và tắt cực nhanh bóng LED theo một tần số nhất định. Nếu tần số bật tắt quá thấp (tần số PWM quá thấp), PWM có thể gây khó chịu cho mắt (người nhạy cảm sẽ có cảm giác LED bị nháy). Thực tế là đèn sử dụng PWM để điều khiểu mode sáng thấp (low, eco, moonlight…) sẽ kém hiệu quả hơn đèn sử dụng dòng điện không đổi (driver Buck, Boost,…)

Một số sự thật về driver của đèn pin.

Đa số mọi đèn pin LED đều có một driver có tác dụng là một bộ chuyển đổi và điều tiết nguồn điện từ pin hoặc nguồn cấp nào đó ra LED.

Có nhiều cách để tạo ra một driver, driver càng có nhiều chế độ hoặc có hiệu suất cao thì càng phức tạp và đắt tiền tỷ lệ nghịch với sự đơn giản và giá thành rẻ và hiệu suất cũng ko cao một một driver bình thường khác.

Tất cả sự chuyển đổi năng lượng nào cũng có sự hao phí trong quá trình chuyển đổi đó (ở đây nói đến việc chuyển điện năng từ pin hay nguồn ra điện năng cấp ra LED ở những chế độ khác nhau). Vì vậy càng hạn chế sự hao phí này thì driver đó càng hiệu quả và runtime của đèn pin sẽ càng tốt. Và đánh đổi lại hiệu suất tốt đó là giá thành và sự phức tạp khi chế tạo driver. (Mọi việc luôn có mặc trái của nó).

Thông thường đèn pin của chúng ta khi chạy ở những mức sáng thấp sẽ có hiệu suất (chính xác là hiệu quả chuyển đổi năng lượng từ nguồn cấp ra LED) TỆ hơn khi chạy ở mức cao hơn. Tuy nhiên có một nghịch lý là, khi bóng LED chạy ở mức điện năng thấp lại cho ra hiệu suất quang thông trên năng lượng tiêu hao (LED Efficacy, lumen/W) TỐT hơn khi nó chạy ở mức điện năng cao.

Mỗi bóng LED đều có một điểm Sweet-Spot mà ở đó, hiệu suất, quang thông, nhiệt lượng toả ra của led sẽ ở điểm cân bằng hoàn hảo nhất của cả 3 yếu tố. Khi thiết kế Driver dành cho led luôn luôn phải cân nhắc đến yếu tố này cùng với nhưng yếu tố kỹ thuật trong thiết kế đèn khác.