Sterowanie jasnością LED-a przez źródło prądowe

[atlantis86]

W powstającym właśnie projekcie będę potrzebował możliwości regulowania jasności świecenia LED-a o większej mocy (1-3W) i jasności. Niestety odpada stosowanie PWM-a, ponieważ z kilku różnych względów dioda musi emitować ciągłe światło, a nie jedynie migać z taką prędkością, żeby ludzkie oko nie było w stanie tego zarejestrować. W grę wchodzi więc jedynie regulowanie prądu płynącego przez LED-a. Planuję wykorzystać w tym celu sterowane napięciem źródło prądowe, zrealizowane na wzmacniaczu operacyjnym i tranzystorze mocy.

Napięcie sterujące będzie generowane za pomocą drabinki R2R, tak więc będę miał możliwość ustalenia napięcia w zakresie około 0-3.3V z rozdzielczością 8 bitów.

Schemat planowanego układu wygląda następująco:

Dioda ma być podpięta do złącza JP2, a VCC będzie wynosiło 12V.

Sam wzmacniacz operacyjny jest zasilany z 3.3V.

Czy ktoś mógłby mi poradzić jak dobrać wartości elementów pod konkretną diodę? Zleży mi na tym, żeby zmiana świecenia była liniowa i odbywała się w zakresie od niemal zupełnego braku światła do świecenia z pełną jasnością. Czy konieczne będzie dodanie jakiegoś dzielnika napięcia na wejściu wzmacniacza operacyjnego?

I swoją drogą - czy nieużywana połówka LM358 jest podłączona prawidłowo?

Edytowano Marzec 13, 2021 przez atlantis86

[marek1707]

Jak zwykle (w tego typu pytaniach) nie napisałeś do czego to ma być licząc, że te parę liczb jakie podasz załatwią sprawę. A tak nie jest, np:

1. Jak szybko chcesz zmieniać jasność diody. Bo jeśli nie ma tu wyżyłowanych wymagań, (np. kilka/naście milisekund będzie OK), to nie musisz budować drabinki R2R, zajmować wiele pinów procesora i wylądować na 6-bitowej dokładności. Bo jeśli nie masz oporników 0.5% i bardzo optymalnie dobranego samego dzielnika do impedancji wyjściowej portów, to nawet osiagnięcie 256 dobrych przedziałów będzie trudne. Zamiast takego rzeźbienia możesz użyć odfiltrowanego sygnału PWM. Takie źródło jest o wiele dokładniejsze, choć wolniejsze. Tryby PWM nawet zwykłego AVR dają 10 bitów. A jeśli chcesz naprawdę szybko modulować prąd, to użyty wzmacniacz jest za wolny. Tutaj uzyskasz czas ustalania prądu w okolicach 5-10us.

2. Jak zapewne wiesz, powyższy układ działa w ten sposób, że wzmacniacz stara się wyrównać napięcie odłożone na rezystorze pomiarowym do napięcia na swoim wejściu (+). Wzmacniacz 358 ledwo działa na 3.3V a jego napięcie wyjściowe przy takim zasilaniu nie przekroczy raczej 2V więc na emiterze nie zrobi się więcej niż 1.3V. To maksymalne napięcie jakie jest sens zapodać na wejście (+) a dalszy wzrost nie spowoduje wzrostu prądu diody, bo oparłeś się o limit napięcia wyjściowego wzmacniacza. Przy takim wysterowaniu i oporniku 47Ω prąd wyjściowy będzie zatem wynosił ok. 27mA.

3. Typowa dioda 3W niestety potrzebuje prądu 700mA. Taki prąd maksymalny uzyskasz, gdy wstawisz opornik R3=1.8Ω/1W i będziesz sterował wejście (+) w zakresie od 0 do 1.26V. Jeśli Twój sygnał analogowy (jakkolwiek zrobiony) ma zakres 3.3V, to tak, na wejście musisz wstawić dzielnik bo inaczej będziesz korzystał tylko z 40% zakresu DACa. Nie, dzielnika R2R (jak każdego dzielnika opornikowego) nie wolno niczym obciążać, bo tracisz dokładność. Na szczęście masz drugi wzmacniacz jak wtórnik napięciowy.

4. Przy 12V zasilania i pełnym prądzie 700mA na tranzystorze będziesz wytracał (12V-3.5V-1V)*0.7A=5.2W. To naprawdę sporo i wziąłbym raczej coś większego niż biedny BD139 albo przynajmniej wyposażył go w radiator, bo "goła" obudowa SOT32 wytrzyma bez wiatraczka może 1/3 tego. Policz jeszcze tylko, czy przy danym wzmocnieniu tranzystora wzmacniacz jest w stanie wypuścić z siebie wystarczający prąd do wysterowania bazy. Być może wygodniej użyć tu parę Darlingtona.

5. Stałoprądowo układ cierpi na te same błędy na jakie cierpi wzmacniacz, np. na błąd offsetu. Skoro chcesz użyć jednego z najgorszych pod tym względem 358 to znaczy, że pewnie nie ma to większego znaczenia ale pamiętaj, że przy oporniku 1.8Ω 1mV offsetu na wejściu będzie przekładał się na 550uA prądu wyjściowego. A poniewaź 358 może mieć nawet 5mV błędu wejścia (i nie wiesz w którą stronę), to przy napięciu wejściowym 0mV możesz dostać na wyjściu 2.7mA prądu (a wtedy dioda 3W już nieźle świeci) albo odwrotnie, wzmacniacz będzie wtedy w dolnym nasyceniu a układ ruszy i jakikolwiek prąd zacznie płynąć dopiero gdy zapodasz te +5mV na wejście.

Ogólnie nawet w tak prostym układzie jest wiele stopni swobody. Możesz optymalizować np. straty mocy, dokładność, prędkość, wielkość, cenę itp, ale żeby to zrobić musisz rozumieć działanie i ograniczenia. Napisz co robisz a ja spróbuję powiedzieć jak to zrobić.

[atlantis86]

6 godzin temu, marek1707 napisał:

1. Jak szybko chcesz zmieniać jasność diody. Bo jeśli nie ma tu wyżyłowanych wymagań, (np. kilka/naście milisekund będzie OK), to nie musisz budować drabinki R2R, zajmować wiele pinów procesora i wylądować na 6-bitowej dokładności. Bo jeśli nie masz oporników 0.5% i bardzo optymalnie dobranego samego dzielnika do impedancji wyjściowej portów, to nawet osiagnięcie 256 dobrych przedziałów będzie trudne. Zamiast takego rzeźbienia możesz użyć odfiltrowanego sygnału PWM. Takie źródło jest o wiele dokładniejsze, choć wolniejsze. Tryby PWM nawet zwykłego AVR dają 10 bitów. A jeśli chcesz naprawdę szybko modulować prąd, to użyty wzmacniacz jest za wolny. Tutaj uzyskasz czas ustalania prądu w okolicach 5-10us.

Mm na tyle wolnych pinów, że mogę sobie pozwolić na stosowanie drabinki. Na razie tylko eksperymentuję, ale sądzę, że nie będzie tragedii, jeśli dokładność nie będzie w 100% idealna. Szybkość jest już ważniejsza, bo docelowo zależy mi na wartościach zmieniających się co kilkadziesiąt us. Oczywiście testy robię na dużo, dużo mniejszych prędkościach (dziesiątki lub nawet setki ms). Mógłbyś polecić jakiś szybszy wzmacniacz, najlepiej zgodny pinowo z 358?

6 godzin temu, marek1707 napisał:

2. Jak zapewne wiesz, powyższy układ działa w ten sposób, że wzmacniacz stara się wyrównać napięcie odłożone na rezystorze pomiarowym do napięcia na swoim wejściu (+). Wzmacniacz 358 ledwo działa na 3.3V a jego napięcie wyjściowe przy takim zasilaniu nie przekroczy raczej 2V więc na emiterze nie zrobi się więcej niż 1.3V. To maksymalne napięcie jakie jest sens zapodać na wejście (+) a dalszy wzrost nie spowoduje wzrostu prądu diody, bo oparłeś się o limit napięcia wyjściowego wzmacniacza. Przy takim wysterowaniu i oporniku 47Ω prąd wyjściowy będzie zatem wynosił ok. 27mA.

Uruchomiłem prototyp i zrobiłem kilka testów, ale chyba robię coś nie tak.

1. W programie co kilkadziesiąt ms wysyłam na DAC narastającą wartość z przedziału 0-255.
2. Na wyjściu drabinki rezystorowej obserwuję cykliczne narastanie napięcia w przedziale około 0-3.3V.
3. Za drabinką dałem dzielnik napięcia 22k i 10k - zgodnie z przeiwdywaniami tutaj napięcie zmienia się w przedziale około 0-1V.
4. Wyjście dzielnika podpięte (na razie) bezpośrednio do wejścia (+) wzmacniacza operacyjnego.
5. Obwód diody jest tymczasowo zasilany napięciem 9V, zamiast pełnych 12V.

Niestety, dioda świeci właściwie ciągłym światłem. Sprawdziłem jak wygląda jej prąd i wychodzi na to, że:

• Jeśli lm358 jest zasilany napięciem 3,3V, to na początku cyklu napięcie bardzo szybko (niemal momentalnie) osiąga 40mA (na mierniku widać jego momentalne narastanie) i wartość ta utrzymuje się do końca cyklu. Potem widać delikatny spadek (multimetr przez chwilę pokazuje 39mA). Oko nie jest nawet w stanie tego wychwycić.
• Jeśli zasilę lm358 z 9V, to sytuacja wygląda podobnie. Z tą różnicą, że prąd wynosi 80 mA. Jednak także momentalnie osiąga swoją wartość na początku cyklu.

Dobrze zakładam, że wina leżu po stronie zbyt dużego rezystora w emiterze? Rozumiem, że mam teraz dwa wyjścia:

• Zmniejszyć wartość rezystora, co pozwoli na dalszy wzrost prądu, ale też bardziej obciąży tranzystor, na którym będzie się wydzielało więcej ciepła.
• Jeśli obecna jasność maksymalna jest wystarczająca, zmodyfikować wartość dzielnika na wyjściu tak, żeby napięcie zmieniało się w niższym zakresie napięć (np. 0-0.1V)

6 godzin temu, marek1707 napisał:

3. Typowa dioda 3W niestety potrzebuje prądu 700mA. Taki prąd maksymalny uzyskasz, gdy wstawisz opornik R3=1.8Ω/1W i będziesz sterował wejście (+) w zakresie od 0 do 1.26V.

Jest naprawdę bardzo wątpliwe, żeby dioda musiała pracować na maksymalnym prądzie. Wszystko dopiero pokażą testy. Na chwilę obecną wiem, że potrzebuję czegoś jaśniejszego niż standardowa dioda, więc podałem przykład diod mocy. Podejrzewam jednak, że prędzej wystarczy coś w rodzaju diody 1W, a prąd w okolicy 100 mA powinien zapewnić wystarczającą jasność 

 

[marek1707]

Nawet nie chce mi się komentować tych Twoich dywagacji i nie mam na to czasu. Także mało obchodzi mnie to co "podjrzewasz", bo to wszystko ściema palcem na wodzie pisana. Jeśli nie chcesz powiedzieć gdzie ten układ ma pracować to baw się sam, po co w ogóle ludziom głowę zawracasz tymi publicznymi pseudoprzemyśleniami. Kiedy już zdecydujesz się na konkretne wymagania i zrozumiesz jak ten układ działa, sam dobierzesz odpowiednie elementy, w końcu to banalny układ: kilka napięć i prądów, zwykłe prawo Ohma plus wzmacniacz operacyjny. Rób te swoje testy, dobieraj elementy nawet i losowo, jeśli nie umiesz podstawić do kilku wzorów a na pewno w końcu w coś sensownego trafisz. Dostałeś zasadę działania i przykład liczenia, wystarczy powtórzyć dla innego prądu i napięcia wejściowego i mieć poprawną konfigurację od pierwszego strzału. No ale trzeba wiedzieć gdzie leży cel. Powodzenia, ja odpadam.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Rasel]

Chyba masz coś pomylone w połączeniach. Zasil LM358 napięciem 9V, ustaw na jego wejściu nieodwracającym napięcie o stałej wartości 0,8V i napisz jakie są wówczas napięcia na: wejściu odwracającym i wyjściu LM358, a także na bazie, emiterze i kolektorze tranzystora BD139 oraz na rezystorze R3. Podaj również wartość rezystora R3.

[atlantis86]

13 godzin temu, Rasel napisał:

Chyba masz coś pomylone w połączeniach. Zasil LM358 napięciem 9V, ustaw na jego wejściu nieodwracającym napięcie o stałej wartości 0,8V i napisz jakie są wówczas napięcia na: wejściu odwracającym i wyjściu LM358, a także na bazie, emiterze i kolektorze tranzystora BD139 oraz na rezystorze R3. Podaj również wartość rezystora R3.

Połączenia są ok, sprawdzałem kilka razy. W wolnej chwili pomierzę napięcia.

Rezystor R3 obecnie ma 10 omow, wcześniej miał 47 omów, ale wymieniłem go podczas eksperymentów. Podmiana rezystora powoduje wzrost prądu (i jasności diody) ale regulacja wciąż nie odbywa się w pełnym zakresie.

Mam jeszcze jedną hipotezę. Czy przypadkiem za taki stan rzeczy nie odpowiada fakt, że LM358 nie jest wzmacniaczem typu rail-to-rail?