Питание светодиодов стабильным током: схемы на транзисторах и ОУ

Стабилизатор на двух транзисторах

Светодиод и транзистор VT1 включены последовательно, а ток эмиттера VT1 проходит через датчик тока Rs. Резистор R1 открывает VT1. Когда падение на Rs дорастает до напряжения база–эмиттер транзистора VT2, тот приоткрывается и отбирает часть тока R1 у базы VT1. Получается обратная связь, которая держит на Rs примерно одно напряжение база–эмиттер:

Расчёт для индикатора на 10 мА.

1. Датчик тока. У BC546 напряжение база–эмиттер — от 0,55 до 0,7 В при 2 мА (onsemi BC546/D). Для 10 мА по верхней границе Rs = 0,7 В / 10 мА = 70 Ом, берём 68 Ом. При 24 В, когда ток VT2 около 2 мА, как в условиях даташита, ток светодиода — от 8,1 до 10,3 мА. С нагревом напряжение база–эмиттер падает (рис. 4 даташита), и ток уменьшается.
2. Светодиод. Kingbright WP7113ID допускает 30 мА; прямое напряжение при 10 мА — 1,9 В типично и до 2,3 В. Рассеяние при 10,3 мА — 24 мВт при допустимых 75 мВт.
3. Резистор R1. Через него идут ток базы VT1 и ток коллектора VT2. У BC546B коэффициент усиления не меньше 200, база VT1 берёт всего около 0,05 мА. R1 = 10 кОм даёт от 0,36 мА при 5 В до 2,3 мА при 24 В. При меньшем токе VT2 его напряжение база–эмиттер ниже: при 0,36 мА вместо 2 мА — примерно на kT/q · ln(2 / 0,36) ≈ 44 мВ при 25 °C. Ток светодиода при 5 В поэтому примерно на 0,6 мА меньше, нижняя граница — около 7,4 мА (наша оценка).
4. Наименьшее питание. Нужно прямое напряжение светодиода, 0,7 В на Rs и насыщение VT1: около 2,3 + 0,7 + 0,3 ≈ 3,3 В, а на базе VT1 — около 1,4 В, которые R1 должен ещё «перекрыть». С 5 В схема работает.
5. Нагрев VT1. На нём падает всё остальное напряжение: при 24 В — (24 − 1,9 − 0,55) В · 10,3 мА ≈ 0,22 Вт. BC546 рассеивает 625 мВт при 25 °C, и эта величина снижается на 5 мВт на каждый градус: при 85 °C остаётся 325 мВт — запас есть. Для 20 мА (Rs = 33 Ом) при 24 В было бы уже 0,46 Вт, что допустимо только при воздухе не теплее 58 °C (наш расчёт по снижению мощности).

Схема на двух транзисторах дешёвая и работает без опорного источника, но точность у неё не лучше ±10–15 %. Для мощных светодиодов, где ток надо держать точно, а падение на датчике — малым, нужна опора и ОУ.

Источник тока на ОУ и MOSFET

Это низкосторонний преобразователь напряжения в ток из каталога схем TI (SBOA327A): ОУ сравнивает напряжение на датчике тока Rs с опорой и управляет затвором MOSFET так, чтобы они были равны. Ток стока равен опорному напряжению, делённому на Rs, и не зависит ни от питания светодиодов, ни от их прямого напряжения, пока на транзисторе остаётся хотя бы небольшое напряжение. Светодиоды можно питать от 12 В, хотя ОУ работает от 5 В.

Расчёт: четыре красных Cree XP-E2 по 350 мА от 12 В ±5 %.

1. Датчик тока и опора. Чем меньше напряжение на Rs, тем меньше потери и больше запас — TI советует делать датчик как можно меньше (SBOA325). Но смещение нуля ОУ складывается с опорой, поэтому опускать её до единиц милливольт нельзя. Возьмём 0,35 В: Rs = 1 Ом, мощность на нём 0,12 Вт — резистор на 0,25 Вт. Опору даёт делитель R1 8,45 кОм / R2 1 кОм от вывода микроконтроллера 3,3 В: 3,3 · 1 / 9,45 = 0,349 В, ток 0,349 А.

2. Погрешность. Смещение нуля LM358 — до 7 мВ при 25 °C и 9 мВ в диапазоне 0–70 °C (SLOS068AB, разд. 5.7), то есть до 2,6 % от 0,35 В. Входной ток LM358 — до 250 нА (500 нА в диапазоне), на резисторе обратной связи 10 кОм это до 5 мВ, ещё 1,4 %. Добавьте допуск Rs и делителя 1 % и точность питания микроконтроллера. Вывод STM32 гарантированно держит не меньше VDD − 0,4 В лишь при 8 мА (DS5319, табл. 37); при токе делителя 0,35 мА падение гораздо меньше. В сумме — около ±5 % (наша оценка). В примере TI резистор обратной связи — 500 кОм, но там ОУ с входным током в доли пикоампера; с LM358 такой резистор дал бы ошибку до 0,13 В, поэтому здесь 10 кОм.

3. Запас по напряжению. Прямое напряжение красного XP-E2 при 350 мА — от 1,5 до 2,6 В в зависимости от группы (Cree CLD-DS56), у цепочки из четырёх — от 6,0 до 10,4 В. При наименьшем питании 11,4 В на транзисторе остаётся 11,4 − 10,4 − 0,35 = 0,65 В — достаточно: при 0,35 А IRLZ44 почти не нужно напряжения сток–исток. На морозе прямое напряжение растёт (−1,4 мВ/°C на светодиод): при −20 °C цепочка прибавит около 0,25 В, запас уменьшится до 0,4 В. Пятый светодиод в цепочку уже не поместится.

4. Затвор. ОУ питается от 5 В, его выход поднимается не выше 3,5 В относительно земли, а исток транзистора выше земли на 0,35 В — напряжение на Rs. По типичной передаточной характеристике IRLZ44 (рис. 3) ток 1 А течёт при 2,2–2,3 В на затворе, а 0,35 А — при чуть меньшем, но порог у экземпляров — до 2,0 В, а на холоде он выше. Наша оценка: нужно до 0,35 + 2,6…2,8 ≈ 3,0–3,2 В на выходе ОУ, запас — несколько десятых вольта. Для транзистора с порогом у верхней границы и мороза удобнее ОУ с выходом rail-to-rail или питание ОУ 9–12 В с ограничением напряжения затвора. Питание ОУ от 5 В защищает и затвор: если цепочка светодиодов оборвана, ОУ выводит выход к верхнему пределу, и при питании 12 В на затворе оказалось бы около 10 В — ровно предельное значение IRLZ44.

5. Нагрев MOSFET. Мощность на транзисторе — остаток напряжения, умноженный на ток. Худший случай — наибольшее питание и наименьшее прямое напряжение: при токе на 5 % выше расчётного (погрешность из п. 2) это (12,6 − 6,0 − 0,37) В · 0,3675 А ≈ 2,29 Вт. Типично — около 1,2 Вт. Без радиатора TO-220 с 62 °C/Вт нагреется на 142 °C — недопустимо. Калькулятор открыт с этим примером: при воздухе 50 °C и кристалле не горячее 125 °C нужен радиатор не хуже 31,3 °C/Вт.

Область безопасной работы IRLZ44 (рис. 8) построена только для импульсов до 10 мс, линии для постоянного тока нет, поэтому в линейном режиме ограничение здесь — тепловое: держите кристалл с запасом от предельных 175 °C.

6. КПД. На светодиодах типично 4 · 2,08 = 8,3 В из 12 В — около 69 %, остальное греет транзистор и датчик. Если питание заметно выше цепочки, выгоднее понижающий преобразователь с регулированием тока, как в статье «Понижающий преобразователь».

Компенсация и ШИМ

По схеме TI резистор Rз в цепи затвора отделяет выход ОУ от ёмкости затвора, а Rос и Cос замыкают обратную связь: Rос — по постоянному току прямо с датчика, Cос — по высоким частотам в обход транзистора. В примере TI это 500 Ом, 500 кОм и 100 пФ, постоянная времени 50 мкс. Мы оставили близкую постоянную времени, 10 кОм · 4,7 нФ = 47 мкс, но ОУ и транзистор другие: у IRLZ44 входная ёмкость около 3300 пФ. Устойчивость проверьте на макете — подайте ступеньку на опору и посмотрите ток осциллографом на Rs: без звона и выбросов значит запаса хватает.

Яркость регулируют ШИМ на опоре: в единице ток 0,35 А, в нуле — ноль. ОУ при этом каждый раз проходит весь путь от нуля до напряжения открывания транзистора: при скорости нарастания 0,3 В/мкс до 2,5 В — не меньше 8 мкс плюс время выхода из насыщения. Фронт тока затягивает и цепь коррекции: её постоянная времени Rос · Cос около 47 мкс, так что ток на Rs устанавливается за десятки микросекунд. Поэтому частоту ШИМ держат около 1 кГц, а самые короткие импульсы — несколько десятков микросекунд (наша оценка; проверьте импульсы наименьшей длительности осциллографом на Rs). Если нужна высокая частота, берите быстрый ОУ или оставьте опору постоянной и прерывайте цепочку отдельным ключом.

Другие варианты

Детали

Почему не работает

• Ток меньше расчётного и падает с прогревом. В схеме на двух транзисторах так и должно быть: ток задаёт напряжение база–эмиттер, оно уменьшается с температурой. Если VT2 стоит рядом с горячим VT1, эффект сильнее — разнесите их.
• Светодиоды горят, но ток не держится при снижении питания. Не хватает запаса: питание ниже суммы прямых напряжений, падения на датчике и минимального напряжения на транзисторе. Уберите один светодиод из цепочки или поднимите питание.
• Ток в схеме с ОУ отличается от расчётного на несколько процентов. Смещение нуля сдвигает его в любую сторону, а входной ток LM358 вытекает из входа и на Rос поднимает инвертирующий вход — ток получается ниже расчётного. Уменьшите Rос или возьмите ОУ точнее (LM358A — до 3 мВ и до 100 нА).
• MOSFET очень горячий. Так и должно быть в линейном режиме: посчитайте мощность по наибольшему питанию и наименьшему прямому напряжению. Нужен радиатор или меньший запас напряжения.
• Ток колеблется. Нет Rз или Cос, либо длинные провода от датчика к ОУ. Проверьте реакцию на ступеньку опоры и увеличьте Cос.
• При малом заполнении ШИМ светодиоды не загораются. Импульс короче, чем ОУ успевает поднять затвор. Снизьте частоту ШИМ или возьмите быстрый ОУ.