Феномен светодиодного ключа

[Loriot]

Для управления светодиодной лентой (данный эксперимент проводился с бобиной длиной 5м, одноцветной) был собран ШИМ регулятор на основе таймера КР1006ВИ1 (NE555) и полевого транзистора IRF640. Когда схема была собрана, она была испытана на нагрузочном резисторе Rнагр, через который протекал ток порядка 2 А (максимум) - см. рис.1.

Результирующие осциллограммы показали ожидаемые результаты. Но при подключении светодиодной ленты выяснилось, что мой ШИМ регулятор (а именно выходной транзистор) ведет себя уже по другому, а именно - не полностью закрывается, греется. В результате уровень минимальной яркости ленты слишком высок, напряжение на стоке в таком состоянии составило порядка 6.5В (см. рис.2).

Меня это совершенно не устроило и я продолжил эксперименты. Для начала я просмотрел множество форумов, технической документации по управлению светодиодами на предмет обнаруженной мной проблемы, но не нашел ничего. Все дороги вели к классической схеме ключа. Пробовал менять частоту ШИМ от 1кГц до 35 кГц, менял полевой транзистор на биполярный - лучше не становилось. Немного подумав, я решил собрать нечто среднее между схемой на рис.1 и схемой на рис.2 (см. рис.3).

И оказался на верном пути. Вначале в качестве Rнагр я выбрал 1 кОм, затем 100 Ом и практически вышел на нужные осциллограммы. Транзистор перестал греться и минимальный уровень свечения светодиодной ленты заметно понизился (до нужной мне яркости).
Теперь вопрос к знатокам: в чем причина данного явления, почему транзистор при подключении светодиодной ленты ведет себя иначе? Почему в литературе, посвященной управлению светодиодами об этом не говорится ни слова?

[Borodach]

Теперь вопрос к знатокам: в чем причина данного явления?

В большой "внутренней" ёмкости кристаллов светодиодов ...

http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=112354

http://www.electrosad.ru/Electronics/SPower.htm

[Loriot]

Спасибо за ответ. Как же "победить" большую емкостную нагрузку светодиодной ленты и построить нормально работающий транзисторный ключ?

[Gudd-Head]

Ёмкость бороть индуктивностью — сделать источник тока на подобии чоппера.

[Borodach]

Вы же уже попробовали "бороться", поставив параллельно диодам резистор, можно поставить ещё диодик в обратном направлении ...

[Loriot]

Диод у меня стоял в схеме изначально, мощный диод Шоттки. Думал сделаю универсальную плату ШИМ-регулятора: чтобы и для вентилятора годилась и светодиодной ленты, но не тут то было...

И всё-таки странно: если допустить (а больше и не приходится), что имеем в лице светодиодной ленты большую емкостную нагрузку, то почему на осциллограмме я не вижу завалов фронтов, а наблюдаю горизонтальную заниженную ступеньку? Я же проводил эксперименты и с более низкой частотой ШИМа - около 1кГц (номинальная около 35 кГц) - форма осциллограмм не меняется. В ближайшем будущем я сделаю скрины с цифрового осциллографа на разных частотах ШИМ.

[Zud]

Предлагаю гипотезу:

индуктивность цепи, включаемой транзистором весьма высока, поэтому при выключении на транзисторе возникает сильный бросок напряжения (из-за того, что потоку электронов некуда идти, а ток в индуктивности скачком поменяться не может из-за связки с магнитным полем), этот бросок напряжения по "Эффекту Миллера" идёт в затвор, и подзаряжает его.

Если этот заряд не рассасывается (т.е. транзистор не закрывается полностью) даже через весьма продолжительное время, то возможно транзистор подгорел из-за статики или из-за превышения напряжения (да, может быть и более 200В в пике, нужен пиковый детектор чтобы увидеть, или хороший осциллограф). Хотя такие мощные обычно очень трудно сжечь.

Пути решения проблемы:

1. Надо рассеять накопленную энергию в индуктивности (в длинной цепи). Это можно сделать как у вас, но КПД схемы резко падает.
1.1. Можно рассеять более медленно - замкнув сток через диод вверх на 12 В, т.е. чтобы ток от стока шёл бы обратно через диод на шину 12 В. Тогда ток ещё покрутится некоторое время.
1.2. Можно открыть поставить ещё один транзистор, сделав полумост. но это сложно, им ещё надо точно управлять...
1.3. Можно поставить стабилитрон со стока на землю скажем на 20В. Ток будет разогревать его.
1.4. Ёмкость на сток лучше не ставить, или если ставить то ооочень маленькую, нанофарадики, или можно больше, но последовательно с резистором, как бы увеличивая ESR. Но это плохой способ.
2. Надо уменьшить индуктивность.
2.1. Поставить конденсатор между входом 12В шины в ленту светодиодов, и землёй. Тогда индуктивность токоподвода шины 12В устранится (импульсы тока будут заряжать эту входную ёмкость). Керамику, требуемая ёмкость зависит от индуктивности токоподвода. (хороший метод, входные ёмкости - хороший тон)
2.2. Провода идущие куда-то должны возвращаться примерно тем-же путём обратно. Т.е. надо уменьшить площадь цепи, сплюснув её где возможно.
2.3. Убрать ферромагнетики находящиеся внутри цепи с импульсным током.
3. Снизить эффект Миллера
3.1. Поставить за затвор не такое большое сопротивление, а по-меньше. (Rупр)
3.2. Если управление находится далеко, то лучше бы перенести драйвер управления по-ближе к затвору. Если драйвер хорошо подобран под транзистор, то и резистор на затворе не нужен. (Rупр)
4. Если транзистор сгорел - то заменить.

Всё, я устал.

[Loriot]

Спасибо за столь подробный ответ с вариантами, буду разбираться. Чувствую, на этой проблеме можно кандидатскую защитить
Постараюсь выложить полную схему моего регулятора и полученные осциллограммы.
Zud, у меня в схеме изначально стоял диод параллельно светодиодной ленте, MBR745, кажется. Я просто не стал его рисовать на схеме, т.к. пробовал изначально с ним, потом без него, потом опять вернул диод на место. По осциллограммам ничего не менялось.
А вообще, интересно становится: кто-то говорит, что нагрузка емкостная, кто-то - что индуктивная

[Enman]

Не могут светодиоды давать ни ёмкостную, ни индуктивную нагрузку...Они дают нелинейную, но активную нагрузку: их сопротивление увеличивается с уменьшением тока, растёт усиление каскада на полевике и, соответственно, возрастает входная ёмкость из-за эффекта Миллера ( Cd-g * Кус). Поэтому шунтируем резистором, ограничиваем рост Rнагр и получаем результат....

[Zud]

Не могут светодиоды давать ни ёмкостную, ни индуктивную нагрузку...Они дают нелинейную, но активную нагрузку: их сопротивление увеличивается с уменьшением тока, растёт усиление каскада на полевике и, соответственно, возрастает входная ёмкость из-за эффекта Миллера ( Cd-g * Кус). Поэтому шунтируем резистором, ограничиваем рост Rнагр и получаем результат....

Любой провод даёт как индуктивную так и ёмкостную нагрузку. И эффекта Миллера увеличивает ёмкость затвор-сток, а не сток-исток. Предположение о значимости индуктивной нагрузки было сделано мною исходя из информации о некоей светодиодной ленте длиной 5 м. А это довольно значительная длина. Хорошо бы ещё узнать о длине токоподводов, потому как если они будут длинные, то керамическая ёмкость на входе 12В относительно земли будет очень очень желательна.

у меня в схеме изначально стоял диод параллельно светодиодной ленте, MBR745, кажется. Я просто не стал его рисовать на схеме, т.к. пробовал изначально с ним, потом без него, потом опять вернул диод на место. По осциллограммам ничего не менялось.

Дополнительный диод в противоположную светодиодам сторону даст плавно спадающий ток, но учитывая, что у вас не двигатель, а светодиоды, то возможно задержка в скорости выключения светодиодов будет приемлемая.

Если диод стоял, а феномен присутствовал, то видимо проблема в эффекте Миллера. Расскажите, пожалуйста, про драйвер для транзистора. Вы использовали микросхему-драйвер или делали свой на других транзисторах? И в каком месте драйвер располагался ?

Измерьте также напряжение затвора относительно истока, т.к. возможно из-за большого падения напряжения в земляном токоподводе, уровень локальной земли поднялся, и на затворе относительно истока получилось не 10В, а скажем 4В.

[Loriot]

Спасибо всем, кого заинтересовала данная проблема! Надеюсь, мы вместе ее решим
Как и обещал ранее, выкладываю полную схему моего ШИМ-регулятора, а также фото моего макета.

Фото:

Спойлер

[Zud]

КР1006ВИ1 - странный ток Io ... на 5 В всего 5мА, а на 15 уже 100мА. Попробуйте без Rупр.

[Муркиз]

А вы попробуйте ради эксперимента светодиоды на стабилитроны заменить...

[Loriot]

А вы попробуйте ради эксперимента светодиоды на стабилитроны заменить...

Это из каких соображений?

Я провел целую серию экспериментов, с различными условиями. Получил очень много осциллограмм, начинаю понемногу их обрабатывать. В экспериментах использовал осциллограф: Tektronix TDS3054C. Начиная с сегодняшнего дня буду выкладывать результаты, оформленные в виде рисунков со скриншотами экрана осциллографа. Подробные условия экспериментов будут перечислены в правой области рисунка. Там же будет указываться номер эксперимента. Рисунки буду скрывать под спойлер.
Итак, эксперимент №1:

Спойлер

http://img.radiokot.ru/files/98650/e12nbc1gf.jpg

Эксперимент №2 (условия такие же, но первый луч - напряжение на затворе):

Спойлер

http://img.radiokot.ru/files/98650/e13fk1hex.jpg

Эксперимент №3 (добавил керамику 1,5 мкФ по питанию 12В):

Спойлер

http://img.radiokot.ru/files/98650/e13r1kflg.jpg

[Martin76]

Это все с катушкой , а не размотанной лентой наблюдается? И из каких соображений и зачем такая большая частота ШИМ, 26кГц?

[Dr_virus]

Ах-ахха, а тебе говорил Лориот)))

[Loriot]

Это все с катушкой , а не размотанной лентой наблюдается? И из каких соображений и зачем такая большая частота ШИМ, 26кГц?

Все эксперименты проводил со смотанной катушкой ленты, дабы получить ключ, работающий в "жестких" условиях (нагрузки). ШИМ в опытах ставил 700 Гц и 26 кГц. Взял 26 кГц потому, что некоторые говорят, что звуковую частоту ШИМа слышно на слух (я лично не прислушивался ).

[Муркиз]

Человек реально слышит до 17 кГц.

На участке свечения светодиод ведет себя, как стабилитрон, и имеет нелинейную вольамперную. А резистор - это линейная нагрузка.
Вот отсюда и расхождения.

[YS]

Резистор в затворе полевика не великоват?

[Zud]

Итак, эксперимент №1, Эксперимент №2 (условия такие же, но первый луч - напряжение на затворе)...

Эксперимент №3 (добавил керамику 1,5 мкФ по питанию 12В).

Итак, судя по тому, что индуктивный выброс напряжения присутствует в Э1 и Э2 даже при включенном защитном диоде, то получается индуктивный выброс формирует не лента, а например токоподводы от далёкого блока питания. Керамика на входе 12В нейтрализовала этот индуктивный выброс при закрывании транзистора. Это хорошо, её надо оставить на постоянное место жительство.

Предполагаю, что землю для осциллографа вы брали в правильном месте, т.е. вблизи изучаемого устройства, т.е. на истоке (ибо 5 А это не шуточный ток для длинных проводов, 5 метров мгтф-0,20 уже могут дать 3В падения).

Получается без шунтирования ленты резистором транзистор не закрывается даже при напряжении затвор-исток меньше 1В ? Или даже, судя по Э3, закрывается и потом открывается ? Или всё-таки на Э3 он закрывается, но светодиоды не пропускают 6 В на сток ? Последнее кажется правдоподобным, если бы транзистор не грелся. Но возможно нагрев был транзистора был обусловлен недостаточно быстрым открыванием и\или закрыванием ? Грелся ли транзистор в Э3 ?

Кстати, измеряя всякие острые импульсы необходимо включать другой способ обработки данных в осциллографе, т.е. пиковый детектор (data acquisition = peak detect), а то напряжения пиков будут занижаться. И щуп с минимальной ёмкостью (1:100, 1:1000 и пр). И точно на платке ничего не напутано ? Чего-то на фотке платы не понятно куда идут провода для ленты, белый МГТФ сливается с фоном и что-то там под изолентой не ясное, и диод вроде как не подключён.