покритикуйте схемку, регулятор для светодиодов подсветки Опции

[_sR_]

Хочу сделать подсветку панели на светодиодах с регулируемой яркостью. Регулировка должна происходить от управляющего входа (напряжение). Диапазон питания автомобильный.
Решил сделать на контроллере (atiny13 пока) т.к. какие именно светодиоды и зависимость требуемой яркости от управляющего напряжения пока не понятна. Основная идея, от чего отталкивался - что яркость светодиода линейно зависит от тока через него.
Светодиоды решил соединить параллельно т.к. они освещают отдельные участки панели (две группы по 5 и две по 3).
Прикрепляю схемку как это думается реализовать.
В м_и_крокапе вроде моделируется, но т.к. с аналогом я дружу плохо хотел бы услышать мнение спецов.
Есть ли в такой схеме подводные камни или ошибки?

P.S. номиналы индуктивностей взяты из соображения - "есть в магазине за углом".
Схемка

[Herz]

Что-то странная схемка... Как она работает? Или как должна работать? Вы не смотрели, как устроены драйверы для светодиодной подсветки, выпускаемые различными производителями, Максимом, например? Основная мысль - светодиоды включаются последовательно (это важно, догадайтесь - почему), питающее напряжение повышается до необходимого step-up-ом, и контролем тока (импульсного, как правило) через эту цепочку и обеспечивается требуемая яркость.
Кроме того, купить готовую микросхемку такого драйвера наверняка уже можно и "за углом", да и не обойдётся дороже применения МК. Или на том же 555 таймере такой девайс сваять, заодно LDO на 3,3 В выбросить.

[GetSmart]

Вроде рабочая схемка. Но:
1. Светодиоды будут гореть неравномерно, т.к. у них есть разброс напряжений.
2. Регулировка яркости неправильная. Она регулирует напряжение на нагрузке, а надо ток.
3. Дроссель L1 прикольно включён. Даже не знаю что положительного в таком включении. Его бы следовало включить в разрыв плюса питания между LDO и нагрузкой. А лучше вообще убрать. R1 я бы тоже убрал.

Ещё но:
4. Индуктивность L2 увеличить раз в 10 или больше. Зависит от рабочей частоты. Думаю 1 МГц сделать нереально.
5. Постоянную времени R3С3 тоже увеличить раз в 10.
6. LDO как-то странно включён. Надеюсь только для упрощения.

[Stanislav]

1. Светодиоды нужно, как уже и написали, включать последовательно. Или параллельными группами по несколько штук последовательно в каждой.
2. ОС на транзисторе VT1 можете смело убрать. Мощностью диодов проще всего управлять, изменяя скважность ШИМ при одновременном измерении напряжения питания ключа (без обозначения). Для этого напряжение питания нужно через резисторный делитель подать на вход АЦП. Выходная мощность будет пропорциональна квадрату этого напряжения и квадрату к-та заполнения ШИМ. Обратной связи в этом случае не потребуется.
3. Дроссель L1 "вверх" перетащите, хотя большого криминала в существующем включении и нет.
4. Затвор ПТ резистором килоом в 10 притяните к "земле".

Сообщение отредактировал Stanislav - Aug 6 2007, 16:39

[GetSmart]

7. C2 хватило бы и 100 мкф

[_Pasha]

ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01047a.pdf
Читали?
Не, конечно, грабли там тоже могут быть...

[Herz]

Я смысла в дросселе L1, включенном в исток полевика, так и не понял. Конденсатор С1 (достаточно большой ёмкости) передаст колебания питающего напряжения на исток, изменяя порог включения полевика. И без того 3-вольтовое напряжение на затворе маловато даже для полевика с "логическими" уровнями управления.

[_sR_]

Спасибо за замечания всем.
Немного поясню ход своей мысли.
Схема навеяна обычным buck-регулятором по образу тех, что стоят в материнских платах. Однако в этой схеме нужен драйвер верхнего ключа т.к. питание ключа сильно выше контроллера. Подходящего легодоступного драйвера я не нашел. И подумал, а какая собственно разница чем трясти плюсом или минусом и перевернул стандартную схему. Теперь ключем может управлять низковольтный контроллер напрямую (транзистор с лог. входом).

По схеме включения диодов.
Я видел схемы драйверов светодиодов и понятно почему там последовательно они соеденины. Но эти драйверы ставят в подсветку дисплеев, там существенно важна равномерность свечения всех диодов. Я планировал подсветить шкалы панели т.е. диоды еще будут закрыты рассеивателем. Похоже надо будет провести натурный эксперимент по разбросу параметров светодиодов.

Про управление яркостью. Драйверы которые я видел предлагают управлять яркостью подавая на вход ШИМ. Как я понял при этом начинает ШИМеть выходной ключ драйвера и в результате, изменяя скважность, мы будем управлять длительностью горения светодиода, что будет восприниматься глазом как изменения яркости. Но это получается, что с высокой частотой коммутируется гирлянда светодиодов. В моем случии гирлянда будет примерно описана прямоугольником 25х10 см. Мне показалось страшным иметь такую передающую антенну. Непонятно, как к этому отнесутся схемы управления шаговыми двигателями стрелок панели. Может я чего не понял в этих драйверах.

Транзистор VT1 чтобы перевернуть изменение напряжения на нагрузке отностильно плюса к минусу (как это правильно сказать не знаю). Контроллер меряет относительно минуса.

2GetSmart
Попробую проверить на практике неравномерность, возможно для моей задачи сгодится.
Действительно схема регулирует напряжение.
В первоначальном варианте последовательно с нагрузкой стоял резистор. Но с маленьким резистором (2 Ом) получалось, что транзистор будет открываться при токе примерно 300 ма, а это уже близко к максимальному, соответственно диапазон измерения недостаточен. Я прикинул, что хотелось бы мерять начиная от 50 ма соответствено резистор должен быть 0,6/0,05 = 12 Ом. При максимальном токе он будет рассеивать 1 Вт. Потом я заметил, что примерно такое же сопротивление имеет сама нагрузка.
Я предполагаю, что сопротивление светодиода нелинейно, но не ужели не получится контроллером решить проблему регулирования тока через напряжение на нем?

2Stanislav
так и знал что напортачу - конечно затвор надо притянуть к земле, а то мало ли что наведется пока контроллер не загрузился.
Про управление без ОС не понял. Можете как-то разъяснить темному мне.
У меня получатся, что управлять ШИМ-ом надо и от напряжения питания и от напряжения регулирования (напряжение регулирования не зависит от питания). Т.е. яркость определяет напр. регулирования и поддерживается не зависимо от питания. Можно ли применить Ваш способ измеряя Uрег и Uпит?
По поводу последовательно-параллельного включения мысль классная и мне в принципе подходит. можно сделать все группы по 5 штук. Тогда я понимаю напряжение на группе будет около 15 В и можно обойтись простым boost'ом.

PS наверное все догадались, что кулибничаю я над (только не смейтесь) панелью приборов в авто.

Вот пока что у меня получается.
Схема


и диаграмка

[GetSmart]

Какая частота ШИМа?

Не, серьёзно. Дроссель фильтра не нужно было переворачивать вместе со схемой. Говорили же, сток будет плавать. Он идеально будет смотреться на плюсе питания.

Ну а чтобы мерить ток я бы включил 1 ом резистор и опер.
Либо по току потребления всей схемы судить о токе в нагрузке.

[_sR_]

2Herz
Вы правы тут я не подумал.
Будет подбрасывать исток.
Вобще я понимаю в оригинальной схеме назначение этого дросселя не пустить помехи от преключения ключа наружу. Я прав?

2GetSmart
частота шима 33.(3) кГц в этой модели (30 us период). Ton= 8.8 us.
опер ставить не хочется, т.к. хотелось бы по-проще, но если уж не получится ничего, то...
сейчас исправлю схемку в соответствии с рекомендациями.

Еще сомнение у меня возникло.
В моей модели нагрузка заменена резистором, сопротивление которого примерно соответствует сопротивлению светодиодов на макс. токе. Но на маленьком токе сопротивление светодиодов будет больше, а т.к. измеряется напряжение на них, то такой красивой картинки как сейчас уже не получится.
Похоже надо как-то попытаться сделать модель с нелинейной нагрузкой, чтобы посмотреть что получается.

[GetSmart]

Я тут посчитал немножко. с такой индуктивностью и напряжением в нагрузке = 3.5 вольт пиковый ток в индуктивности будет 5 ампер. Большая и толстая будет индуктивность. Но главное, транзистор нужно ставить хороший. Короче, КПД при желании можно улучшить.

При нелинейной нагрузке (светодиоды) график будет ещё красивей. То есть он будет более прямоугольный.

Могу ещё предложить такое:
Вместо L2 (на последней схеме = 33 мкгн) поставить 1 ом резистор и с него напругу подавать на АЦП. Вот он-то будет показывать напругу, пропорциональную току в нагрузке.

Хотя нет. При нынешних номиналах исток будет скакать на 1 + 0.32 вольта. В таком виде это не сделать

[_sR_]

Схема с учетом замечений


2GetSmart
"график будет ещё красивей. То есть он будет более прямоугольный"
т.е. напряжение на АЦП будет более резко возрастать?
Если так то моя схема не годится, хотелось бы наобарот, иначе весь диапазон измерения АЦП придется на узкий диапазон изменения тока.

Не подскажете ли: как проще создать компонент с требуемой характеристикой R(U).
Сейчас попробовал определить зависимый источник IofV через таблицу (нашел график I(U) для светодиода),
но что-то страное получается.

что я совсем загрузился...

[GetSmart]

т.е. напряжение на АЦП будет более резко возрастать?
Если так то моя схема не годится, хотелось бы наобарот, иначе весь диапазон измерения АЦП придется на узкий диапазон изменения тока.

Просто напряжение будет быстро возрастать до рабочего режима. А по поводу "не годится" я уже писал. Надо мерить ток либо на входе, либо на выходе.

Как сделать компонент - хз. Вы даже не написали в чём моделируете. Из чистого любопытства, покажите график напруги на C2 с последней схемы.

[_sR_]

Прошу прощения, моделирую в микрокапе

график напряжения вот

[GetSmart]

Пульсации 1 вольт, как я и предполагал. Конденсатору несладко будет.

А померить ток, хотя и косвенно, можно зная напряжение питания, напряжение в нагрузке и скважность. 4 резистора, ни одного транзистора.

[_Pasha]

Тогда и мою схему покритикуйте
В варианте с TN2313 пользуем внутренний 1,2Vref для дельта-сигма АЦП.
Номинал дросселя - по остаточному принципу выбираем, но не менее 100uH.
[attachment=12894:attachment]

Сообщение отредактировал _Pasha - Aug 7 2007, 11:58

[GetSmart]

А что критиковать?
Ничего же неизвестно.
Ни частоты, ни напряжения, ни логика работы.
Зачем (точно?) мерить U входное?
Вроде бы предохранитель на входе должен стоять, раз стоит D1.
Транзистор непонятный.

Токи тоже неизвестны

[Don2]

Здесь уже говорили о странностях схемы. Поддерживаю.
Светодиоды при параллельном соединении обязательно должны иметь токоограничивающие резисторы
(на каждый светодиод).Не надо никакого преобразователя напряжения.Достаточно одного транзисторного ключа. Управление яркостью - изменением скважности импульсов напряжения
на выходе ключа. Учет изменения входного напряжения при помощи ADC.

[_sR_]

продолжаю разбираться...
нагуглил тут замечательный документ от техаса "TI Understanding Buck Power Stages Mode Power Supplies (slva057)" из которого стало более-менее что-то понятно.
Получается, при текущем номинале L2 схема работает в режиме разрывного (?) тока. Для перехода в режим непрерывного тока индуктивность L2 должна быть на порядок больше (как и советовал GetSmart).
Честно говоря, я не понял, чем плох такой режим кроме повышенных требований к выходному конденсатору в части ESR и большому току через индуктивность (более 5А) и ключ.
В этом же документе есть формулы расчета параметров в режиме разрывного тока из которых можно вывести нужный мне ток в нагрузке.
Проверьте меня пожалуйста.
Для начала картинка с обозначениями.

Затем из формулы для выходного напряжения преобразователя, зная входное и выходное напряжение,

находим D2
Далее подставляя найденное значение D2 в формулу для тока в нагрузке

Находим ток через светодиоды.
Т.о. для нахождения тока в нагрузке надо знать входное напряжение, напряжение на нагрузке, скважность и частоту ШИМа.
Правильно я рассуждаю?

Хм. попробовал посчитать взяв данные из модели - неправильно я рассуждаю.
Ток получается 2.7 А, а в модели 0.35

Сообщение отредактировал _sR_ - Aug 7 2007, 19:48

[GetSmart]

Честно говоря, я не понял, чем плох такой режим кроме повышенных требований к выходному конденсатору в части ESR и большому току через индуктивность (более 5А) и ключ.

1. Габариты
2. КПД
3. ЭМ помехи
4. Укороченная жизнь конденсаторов

Если всё это не проблема, то флаг в руки!

[_sR_]

2GetSmart
Понятно, значит за что боролся на то и напоролся.

Сегодня один товарищ подсказал мне вариант решения проблемы с большим резистором в цепи измерения тока нагрузки (в исходной схеме для измерения мин. тока 50 ма резистор дб 12 ом).
Он предложил поставить последовательно с резистором диод, подобрав падение на нем с напряжением открывания транзистора. При этом схема будет работать как токовое зеркало.
В итоге резистор измерительный может быть маленьким.
Я пересчитал индуктивности для режима неразрывного тока и взял с запасом из того, что можно купить.
Запас получился в 3 раза.
Еще привел частоту ШИМа в соответствии с возможностями выбранного контроллера.
Частота получилась 37.5 кГц. Скважность для требуемого тока получилась 0.41
В итоге схема стала такой.

[GetSmart]

Уже лучше, но:
1. R7 и R8 выкинуть нафик
2. вместо D2 ставится аналогичный Q2 тринзистор с замкнутыми базой и коллектором.
3. Индуктивности желательно уменьшить до 220..100. Причём L2 можно тоже выкинуть.

И...диаграмку точки "ADC" (C3R4) не покажете?

А зачем вам мерить ток? При постоянной нагрузке и постоянном входном напряжении - это излишество. Просто регулируете скважность в нужном диапазоне и всё!

[_sR_]

2GetSmart
1.R7 и R8 это макс. омическое сопротивление применнных дросселей из справочника. Дроссели скорее всего сам намотаю уж больно ассортимент узок и те, которые в модели на пределе по току работают.

2. Да, в схеме токового зеркала так и есть. поробую с транзистором. оказывается, есть с током 1А в маленьких корпусах. А то диод сложно подобрать.

3. По расчетам "критическая идуктивность" для данной схемы около 152 мГн. Модель это подтверждает. Причем видел рекомендацию, что индуктивность дросселя должна быть не меньше критической.
Чем опасна бОльшая индуктивность?
А установив L2 я надеялся побороть помехи от этой схемы в сеть автомобиля. Хотя наверное там и без того их полно. Считаете нет от нее пользы?

Диаграмка напряжения в точке ADC и ток в нагрузке.


Как я писал в начале, схема работает от автомобильной сети. назвать ее постоянной как-то язык не поворачивается.

[GetSmart]

1. Чем опасна бОльшая индуктивность?
2. А установив L2 я надеялся побороть помехи от этой схемы в сеть автомобиля. Хотя наверное там и без того их полно. Считаете нет от нее пользы?

1. бОльшим сопротивлением.
2. считаю - нет.

Есть хорошие маленькие дроссели Sumida (CDRH...-101M и другие) с сопротивлением доли ома.

C3 можно смело выкинуть, т.к. пользы от него - никакой. Или сделать вот эту схемку. Она не сложнее уже нарисованной. Оперы есть в SOT23-5 корпусах.

Деталей столько же, но КПД гораздо выше. В той потери на 1.5 ом резисторе и Б-Э транзистора слишком большие.

На резисторе R3 будет идеально линейное соответствие тока в нагрузке.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[_sR_]

2GetSmart

Спасибо за коментарии
В своем варианте транзистор вместо диода поставить не получится, т.к. мне сейчас объяснили, что ток в нем течет через переход Э-Б. Транзистор который держит требуемый ток через этот переход маленьким не будет. Но вообще это скорее плюс, т.к. классическая схема с транзистором будет мерять ток от 0, а мне это не нужно, диод как раз позволяет поднять мин. измеряемый ток.

Про сумиду знаю ставим их вместе с LMками от NS. Заказываем из москвы. Но мне надо то одну.
Я посчитал, что если делать дроссель на чашке М2000НМ 14.3х4.25, то для индуктивности 200 мкГн надо намотать 42 витка. В общем-то не пугаеще.

Вашу схемку сейчас промоделирую.

[GetSmart]

Про транзистор Вас нагло обманули. 99.5% тока в нём течёт через коллектор, так как коллектор и база замкнуты. Поэтому требуется транзистор именно с током коллектора = 1А или даже меньше.

Sumid-ы полно в Промэлектронике, в вашем городе.


В промэлектронике:
Инд.CDRH74NP-331MC <100 31.51

[_sR_]

2GetSmart
Скачал Хоровица-Хилла, почитал про токовые зеркала.
Все верно, ток течет через коллектор, базовыми токами предлагается пренебрегать.

промоделировал Вашу схему.
Погонял R2 и R3. Она у меня выдает почему то максимум 2.5В.
Т.е. можно подобрать такие номилы, что при максимальном токе не будет ограничения, но больше 2,5 она не дает.
График напряжения повторяет ток.

в промке и смотрю
сумида там представлена только CDRH74NP-331MC и то остатками
а в основном там только выводные CECL, CW68 и SL1016, ну и мелкочипы слаботочные.
увы.
как-то странно получилось с сообщениями

Сообщение отредактировал _sR_ - Aug 9 2007, 09:41

[GetSmart]

На R3 должно быть U=2.15 В при токе в нагрузке = 0.32 мА. Так что всё нормально. Зачем нужно больше 2.5 В непонятно. Даже U опорное в контроллерах = 2.5 В.

[Stanislav]

Про управление без ОС не понял. Можете как-то разъяснить темному мне.

Вообще-то, я поторопился немного - вычислить выходную мощность преобразователя по индуктивности катушки, напряжению питания, частоте и скважности ШИМ можно только для повышающего (boost) преобразователя. Напряжение на диодах при этом будет "какое получится", но это особенно и не важно.
Вот формУлы:
Eind=(L*Iind^2)/2;
Uind=-L*dIind/dT;
Pout=Eind*Fpwm,
где L - индуктивность дросселя, Eind - его запасённая энергия, Uind, Iind - напряжение на дросселе и его ток.
ЗЫ. Для правильной работы схемы без ОС дроссель должен использоваться в режиме прерывистых токов.
Для степ-дауна (buck) нужно, в дополнение ко всему прочему, знать и напряжение на диодах. Формулы для расчёта те же.

...У меня получатся, что управлять ШИМ-ом надо и от напряжения питания и от напряжения регулирования (напряжение регулирования не зависит от питания). Т.е. яркость определяет напр. регулирования и поддерживается не зависимо от питания. Можно ли применить Ваш способ измеряя Uрег и Uпит?

Да, конечно.

...По поводу последовательно-параллельного включения мысль классная и мне в принципе подходит. можно сделать все группы по 5 штук. Тогда я понимаю напряжение на группе будет около 15 В и можно обойтись простым boost'ом.

У buck-а КПД получше, но, если это не очень существенно, его можно применять смело.
Последовательно-параллельное включение диодов лучше "просто последовательного", т.к., при выходе из строя одного из диодов подсветка всё-таки останется работоспособной. Однако, при этом нужно предусмотреть ограничение по току в каждой из веток - без датчика тока всё равно обойтись не удастся...
Исходя из минимального напряжения 7В, для buck-а уместно включать последовательно по три диода в группу, если падение напряжения на них не превышает 2,3 В; иначе - по два диода.

...Находим ток через светодиоды.
Т.о. для нахождения тока в нагрузке надо знать входное напряжение, напряжение на нагрузке, скважность и частоту ШИМа.
Правильно я рассуждаю?

Суть рассуждения правильна, только ещё индуктивность дросселя знать нужно.
С режимом непрерывных токов советую быть очень осторожным - без ОС его применять нельзя, а с ОС нужно очень аккуратно реализовывать петлю регулирования для достижения устойчивости регулятора, что может быть весьма неудобно делать на МК. В случае же с прерывистыми токами петля ОС существенно упрощается.

C3 можно смело выкинуть, т.к. пользы от него - никакой. Или сделать вот эту схемку. Она не сложнее уже нарисованной.

Можно и её упростить; по-моему, только одного ОУ будет достаточно.

[GetSmart]

Можно и её упростить; по-моему, только одного ОУ будет достаточно.

Ну...покажите что и как...

[Stanislav]

Ну...покажите что и как...

Прошу прощения - времени изобразить было маловато.
Вот, примерно так:

Недостатком такой схемы является наличие 4-х резисторов. При большом усилении (малом Rизм) они должны быть достаточно точными.
Схему можно кардинально упростить, а также повысить стабильность её работы, применив недорогой инструментальный усилитель (aka AD623):

Резистор, задающий усиление, здесь требуется только один, и точность ему особая не нужна.
Нулевому току в обеих схемах соответствует нулевое напряжение на выходе.
Для фильтрации помех параллельно резисторам 10R* в первой схеме можно включить по одинаковому конденсатору, а во второй - добавить простой RC фильтр НЧ на выходе. Однако, постоянные времени делать слишком большими не стоит - это может ухудшить качество регулирования.

[GetSmart]

Прошу прощения - времени изобразить было маловато.
Вот, примерно так:

Не сказал бы что она проще. Но, вообще, интересная схемка. Почему я не знал о ней. Она конечно слишком требовательна к номиналам и 5% резисторы туда не поставить. Можно конечно любой из резисторов сделать подстроечным для корректировки нуля.

Итого: 4 прецизионных резистора против 2 обычных резисторов и транзистора. Чаша медленно склоняется...сами понимаете куда

А "дешёвый" AD623 стоит сто рублёв.

[_sR_]

Спасибо всем за обсуждение и советы.

Я пока беру тайм-аут на макетирование.
Планирую начать с самого простого варианта с токовым зеркалом на диоде.
О результатах отпишусь.

[Stanislav]

Не сказал бы что она проще. Но, вообще, интересная схемка. Почему я не знал о ней. Она конечно слишком требовательна к номиналам и 5% резисторы туда не поставить. Можно конечно любой из резисторов сделать подстроечным для корректировки нуля.

Итого: 4 прецизионных резистора против 2 обычных резисторов и транзистора. Чаша медленно склоняется...сами понимаете куда.

Согласен, схема, предложенная Вами, лучше первой моей(только кондёр в эмиттере транзистора я бы убрал, или сделал раз в 100 меньшим), именно по причине низкой требовательности к точности элементов.
Кстати, у AD есть готовый чип, работающий по предложенному Вами принципу:
http://www.analog.com/en/prod/0,,759_782_AD8211%2C00.html
И у LT нашёл тоже:
http://www.linear.com/pc/categoryProducts.jsp

...А "дешёвый" AD623 стоит сто рублёв.

Каюсь, давно ценами не интересовался. Правда, нащщёт 100 р - многовато что-то. В Аргуссофте и Платане что-то около 2-х долларов, однако.
Может, вот такой ИУ подойдёт по цене лучше:
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ina126.html

Вообще-то, можно попробовать изваять схему преобразователя на p-канальном ПТ, или на p-n-p биполярнике. Тогда проблемм с заводом обратной связи не будет. Правда, схему преобразования уровней соорудить придётся, но это совсем не сложно.


Кстати, введение в дополнение к ОС по току светодиодов ещё и прямой связи (по напряжению питания) позволит значительно улучшить качество регулирования.

[_sR_]

много времени прошло...
снова появилось время продолжить это кулибничество.
от контроллера тини13 отказался в пользу тини26 т.к. у последнего есть режим быстрого PWM
за счет этого частота стала 250 КГц соответственно уменьшилась катушка.
в конечном итоге получилось такая вот схемка

и такая вот платка

написал простенькую програмку которая шимит с разной скважностью, ничего не измеряя
вот что творится на затворе при скважности 3.9%

вот при этом на катушке (отн. +V)

при скважности 20% там же


и при 55%

в качестве нагрузки был резистор 20 Ом

сейчас изучаю теорию как делать регулирование

Сообщение отредактировал _sR_ - Dec 7 2007, 20:01