Návrh obvodu zdroje konstantního proudu

[Darthy]

Pokouším se podchytit teorii stejnosměrných obvodů a proto se snažím při výrobě UV osvětlovací jednotky navrhnout jednoduchý obvod konstantního zdroje pro 4 UV led diody. Našel jsem zapojení s bipolárním tranzistorem a tak jsem se pustil do analýzy tohoto obvodu abych pochopil jak to funguje a mohl navrhnout vlastní obvod (resp. zvolit hodnoty pro moji aplikaci). Prosil bych osvětlení některých nejasností a kontrolu postupu.

Na obrázku jsou dvě schémata. Začnu s prvním (vlevo)...
Diody jsou na 3,2-3,4V s proudem 400-700mA.
Proud na 4 diodách chci max (Ic) 500mA, s použitím 19V mini zdroje z notebooku. Dle teorie vycházím z toho že
Ic = Ie + Ib ≈ Ie
proto volím hodnotu rezistoru Re a napětí na emitoru. Protože používám klasické rezistory a při 500mA bude ztrátový výkon velký, volím napětí na emitoru pouze 1V - a jelikož nemám jiné než 250mW rezistory dám paralelně 3x6,2Ω což mi dá 2Ω, při 1V to odpovídá 500mA.
Dále počítám že úbytek napětí Ube je 0,7V, na bázi teda třeba 1,7V. Pak budu vycházet z
Rb2 ≤ hfe * Re * 0,1
když uvážím například hfe 100 (první nejasnost - vrátím se k tomu později), pak Rb2 zvolím 18Ω, to mi dá proud Irb2 94mA, podle
Ice = hfe * Ib => Ib = Ice/hfe
potřebuji na bázi 5mA, z kirchhoffova zákona vyplývá že Irb1 musí být 99mA, při úbytku napětí 17,3V je Rb1 174Ω, musel bych ale použít 180Ω. S pomocí Theveninovy věty (th) počítám proud
Ib = (Uth - Ube)/(Rth + (hfe+1) * Re)
proud na bázi je tedy 4,7mA, což je ve výsledku přijatelných ±470mA na diodě. Při úbytku 13,6V na diodách a 1V na Re, bude úbytek Uce cca 4,4V při 500mA, to bude pak chtít tranzistor alespoň na 3W.
Tohle vše je ovšem za předpokladu že hfe je 100, což nikdy nebude, proto se ptám jak navrhnout obvod když nevím jaké bude hfe? Pokud koupím tranzistor, musím pak změřit jeho hfe a podle toho upravit obvod...?

Druhý obvod uvažuji, jen za předpokladu, že zdroj není stabilní. Co je mi u něj nejasné, je proud báze. Pokud použiji rezistor Rb v sérii s Z1, kde na Z1 bude úbytek 1,7V, jaký bude ve skutečnosti proud na diodě a jaký podle toho volit rezistor?

Řekněme, že jde hlavně o teroii a pochopní obvodu a jeho návrhu, je dost možné že nakonec budu hledat švába, který tohle celé bude dělat téměř sám.

[Bernard]

V tom zapojení účinkuje záporná zpětná vazba proudová sériová, která zmenšuje citlivost obvodu na změny parametrů. Třeba to zapojení se zenerkou zabezpečuje konstantní napětí báze proti zemi, Ub. Dále platí, že Ub=Ube+Ue. A taky Ue=Re(Ic+Ib)=Re·Ic·(1+1/hFE). A nakonec

Ic = (Ub-Ube)/Re/(1+1/hFE);

V tom součtu (1+1/hFE) hraje hodnota 1/hFE oproti té jednotce daleko menší roli a změna hFE se nějak moc drasticky neprojeví.

[masar]

>Darthy>Až na to, že Ic = Ie - Ib ≈ Ie , jsou tvoje úvahy celkem správné. Jen si trochu jinak vysvětluješ ten princip stabilizace proudu.
Ten je založen na tom, že pokud bude napětí na bázi (napětí na RB2 nebo ZD) konstantní, bude konstantní i napětí na odporu RE, jen snížené o Ube (0,7V) a tedy bude i konstantní proud tímto odporem Ie = Ic+Ib ≈ Ic
Aby napětí na bázi (RB2) nekolísalo se změnou proudu báze (dobrý stabilizační faktor), musí být proud děličem mnohem větší, než proud do báze. Tato podmínka bude splněna tím lépe, čím větší hFE bude tranzistor mít. Pokud jsi tedy obvod navrhl pro tranzistor s hFE=100, nemusíš ho přepočítávat pro tranzistor s hFE větším než 100, protože podmínka bude splněna ještě lépe.
Obvod se ZD místo RB2 bude mít lepší činitel stabilizace i s podstatně nižším proudem diodou než původním RB2. I zde však musí být splněna podmínka, že IRB1 > Ib. Navrhneš-li proud odporem RB1 např. 10mA, bude diodou téci 10-Ib=5mA. Rezistor RB1 volíš podle vztahu
RB1 = (Vcc - Uzd)/Irb1 = (19-1,7)/10 = 1,73kΩ.

[bdn]

Ono můžeš zkombinovat oba přístupy a použít i zenerku i dělič napětí. Třeba takto, viz. obr. níže.
Podívej se na program LTspiceXVII simulátor, který je na takové věci určený. Jednoduše tam lze zjistit i ztrátové výkony, jako že na tranzistoru se ztratí 2 W.

[rnbw]

Nakoniec tam das LM317. Alebo len vrazis do serie 10R odpor.

[Olchor]

Jen takové praktické info - obvod, kde musíš počítat s přesným hfe je špatně navržený. Tento parametr má obrovský rozptyl a silně se mění s teplotou, frekvencí, sluneční fází a ročním obdobím. No ano, je pár zapojení, kde hraje roli, ale to jsou většinou školní příklady. Nebo specialitky.

[Darthy]

účinkuje záporná zpětná vazba proudová sériová

Přesně takové výrazy mi nahání hrůzu ideální do učebnicových definic, ale pro smrtelníka náročná na pochopení. Dle zbývajícího kontextu ale chápu co myslíš.

Až na to, že Ic = Ie - Ib ≈ Ie

Ten je založen na tom, že pokud bude napětí na bázi (napětí na RB2 nebo ZD) konstantní, bude konstantní i napětí na odporu RE, jen snížené o Ube (0,7V) a tedy bude i konstantní proud tímto odporem

Samozřejmě, tady jsem se upsal, vycházel jsem z Ie = Ic + Ib, znaménko jsem pak opsal... To dává smysl, já měl za to, že stabilizaci udává proud, který je v podstatě násobkem hfe. Ale jak jste s bernardem oba zmínili, sám jsem vyzkoušel obvod přepočítat podle
Ib = (Uth - Ube)/(Rth + (hfe+1)*Re) a dále Ic = hfe * Ib
a opravdu při dosazení jakéhokoliv vyššího hfe vychází Ic pořad kolem 500mA, takže nehraje tolik roli.

Podívej se na program LTspiceXVII simulátor, který je na takové věci určený.

Vypadá to šikovně, ale pro moje účely by se to hodilo spíše na ověření výpočtu, jinak bych se nic nenaučil a obvodu bych ve výsledku nerozuměl.

Jen takové praktické info - obvod, kde musíš počítat s přesným hfe je špatně navržený.

No jo, ale já nic jiného kromě požadovaného proudu neznám, jak jinak navrhnout takový obvod, kde v každém druhém vzorci je hfe...? Nějaké musím dosadit přeci, pak můžu analyzovat obvod, jak se bude chovat při změně hfe.

Má význam stavět takový obvod? Je přeci jen dost ztrátový na Re a Uce a jak už bylo řečeno, tranzistor je dost ovlivněn teplotou a okolním prostředím, obzvlášť kdybych ho vložil do boxu s výkonovými UV diodamy, které dost topí... Ještě bych mohl místo Rb2 použít další tranzistor, tím bych omezil citlivost na teplotu možná?

Případně proudové zrcadlo?? Tam je zase potřeba identické hfe pro oba tranzistory, což může být problém... Jak řekl rnbw, naknec možná použiji LM317...alespoň můžu vyzkoušet postavit takový obvod, ať k té toerii přidám i praxi a líp se mi to zafixuje.

[PavelFF]

Význam stavět tento obvod je hlavně z pedagogických důvodů, aby ses něco naučil a zjistil souvislosti a nakonec i to, že stabilizace proudu je dost mizerná. Ale pro tento účel přesto dostatečná.

Co se týče ztrát , ty budou v každém zapojení velmi podobné. Pokud nepoužiješ spínaný zdroj proudu.
Použití LM317 je pro praktické použití daleko lepší- proud bude mnohem stabilnější a i ztráty budou o něco menší ( o ztráty na děliči pro bázi tranzistoru). A obvod má ochranu proti přetížení.

[Darthy]

Co se týká tepelné energie... U tranzistoru je to jasný, úbytek c-e s proudem mi dá "ztrátový" výkon, to stejný na Re... Jak to je ale u LM317, případně jiných IO? U LM317 dám rezistor 2,4Ω na výstup se zpětnou vazbou...ten bude mít ztrátový výkon 600mW, ale co LM317? Můžu počítat že LED budou mít při 500mA každá 3,2V, což je 12,8V + 1,2V na rezistoru, s 19V zdrojem to je 2,5W ztráta na LM317. Uvažuji, že proud na LED určí jejich úbytek napětí, a IO s rezistorem tak musí přeměnit zbytek na teplo. Počítám správně, nebo něco opomínám? Napětí na diodách už teplo vydané integrovaným obvodem nijak neovlivňuje (kromě změny toho úbytku samožřejmě)?

Snažím se najít nějaký IO na řízení konstantního proudu, ale žádný co by dokázal řídit všchny 4 diody v sérii a zvládl tak 3W nemůžu najít (na farnell a tme.eu). Musel bych jedině řídit každou diodu zvlášť a tam nemůžu zaručit stejné proudy a tím i stejný jas.

Další upřesnění - ohledně toho jasu diod...ten je určen proudem, je tak? Každá dioda má ovšem trochu jiné vlastnosti. To znamená, že pokud bude na všech 4 diodách stejný proud, bude na nich mírně odlišný úbytek (např. 3,15V; 3,22V; 3,3V; atd...), ale jas by měl být stejný? To samé platí pro teplo, když se budou zahřívat, bude se měnit vnitřní odpor a tím i stoupat úbytek na didoách protože proud bude konstantní, a tím se bude zachovávat stejný jas, je tak?

[masar]

Uvažuji, že proud na LED určí jejich úbytek napětí, a IO s rezistorem tak musí přeměnit zbytek na teplo. Počítám správně, nebo něco opomínám? Napětí na diodách už teplo vydané integrovaným obvodem nijak neovlivňuje (kromě změny toho úbytku samožřejmě)?

I kdyby se napětí na diodách měnilo s proudem významně, nebo jsi např. snížil počet diod, na proud diodami to nemá vliv, protože ten proud je stabilizován úbytkem napětí na snímacím odporu, který je stabilní (1,2V).
A také - proud není "na diodách", ale protéká diodami. Špatné vyjadřování ti ztěžuje chápání.

Snažím se najít nějaký IO na řízení konstantního proudu, ale žádný co by dokázal řídit všchny 4 diody v sérii a zvládl tak 3W nemůžu najít (na farnell a tme.eu). Musel bych jedině řídit každou diodu zvlášť a tam nemůžu zaručit stejné proudy a tím i stejný jas...

A jak jsi přišel na to, že to právě LM317 nedokáže? Pokud při 4 diodách zůstane na LM317 alespoň 3V, pak to LM317 zvládne.

Další upřesnění - ohledně toho jasu diod...ten je určen proudem, je tak? Každá dioda má ovšem trochu jiné vlastnosti. To znamená, že pokud bude na všech 4 diodách stejný proud, bude na nich mírně odlišný úbytek (např. 3,15V; 3,22V; 3,3V; atd...), ale jas by měl být stejný? To samé platí pro teplo, když se budou zahřívat, bude se měnit vnitřní odpor a tím i stoupat úbytek na didoách protože proud bude konstantní, a tím se bude zachovávat stejný jas, je tak?

Výrobce udává závislost jasu na proudu bez ohledu na Ufd, které je také závislým parametrem (jak na proudu, tak na teplotě). Změny napětí Ufd tě právě kvůli stabilizaci proudu nemusejí zajímat. Ty jsou významné pouze z hlediska chlazení diod, pokud jsou provozovány na pokraji mezních parametrů.

[Darthy]

I kdyby se napětí na diodách měnilo s proudem významně, nebo jsi např. snížil počet diod, na proud diodami to nemá vliv, protože ten proud je stabilizován úbytkem napětí na snímacím odporu, který je stabilní (1,2V).

No ale pokud odeberu diodu, sníží se úbytek na didodách a protože zdroj zůstává 19V, IO bude kompenzovat rozdíl mezi úbytkem na diodách a zemí a tím se zvětší ztrátový výkon na IO. To jsem měl na mysli větou v závorce. Spíš mi šlo o to, zda to tvrzení, že teplo které bude IO produkovat je dáno rozdílem mezi napětím zdroje a úbytkem na zátěži (násobeno proudem), je pravdivé.

A jak jsi přišel na to, že to právě LM317 nedokáže? Pokud při 4 diodách zůstane na LM317 alespoň 3V, pak to LM317 zvládne.

To jsem nikde neřekl, že LM317 to nezvládne. Já hledal spínaný zdroj proudu (ale to jsem nezmínil, přiznávám), abych zmenšil ztráty. A takový jsem nenašel...

[masar]

No ale pokud odeberu diodu, sníží se úbytek na didodách a protože zdroj zůstává 19V, IO bude kompenzovat rozdíl mezi úbytkem na diodách a zemí a tím se zvětší ztrátový výkon na IO. To jsem měl na mysli větou v závorce. Spíš mi šlo o to, zda to tvrzení, že teplo které bude IO produkovat je dáno rozdílem mezi napětím zdroje a úbytkem na zátěži (násobeno proudem), je pravdivé...

Je to "kostrbatě" vyjádřeno. IO stabilizuje proud na 500mA. O co se zmenší napětí na zátěži (t.j. diodách), o to vzroste napětí na IO (součet všech napětí v uzavřeném obvodu zůstává stejný). Výkonová ztráta na IO se tedy zvětší úměrně se zvětšením napětí na IO.

[Darthy]

Pro mě to jsou stejná slova, resp význam je stejný, jen jinak vyjádřený.

V každém případě děkuji všem za objasnění a rady.

[Olchor]

Spínaný zdroj bude mít menší ztráty, ale je to už trochu vyšší dívčí. Na laborování potřebuješ osciloskop. Sp. zdroj proudu se často dělá jako obyč zdroj napětí s proudovým omezením. To umí skoro každý IO pro tyto účely.

[masar]

...Já hledal spínaný zdroj proudu (ale to jsem nezmínil, přiznávám), abych zmenšil ztráty. A takový jsem nenašel...

Takových spínaných zdrojů existuje mnoho. Snad nejznámějším "zástupcem" je např. NCP3065. Ale jinak stačí dát do vyhledávače "LED driver" a jistě narazíš na další (třeba MP2480...). Pro pochopení jejich funkce je třeba znát obecný princip spínaných zdrojů a prostudovat datasheet těchto obvodů.