светодиодные драйверы

[a5021]

Продолжаю размышлять над тем, как завести обратную связь с линейного драйвера на источник напряжения. Характерным признаком того, что драйвер подходит к нижней границе регулирования, является снижение напряжения на истоке мосфета до величин близких к напряжению датчика тока в нормальном режиме. Если отслеживать это напряжение чем-то на вроде компаратора, то на выходе компаратора будет формироваться сигнал запроса на повышение напряжения. Дальше этот сигнал через диодное ИЛИ заводить на ключ, который будет коммутировать параллельный резистор к нижнему резистору делителя, по которому (делителю) источник отслеживает величину выходного напряжение. Раз сопротивление нижнего резистор будет уменьшаться, то источник решит, что напряжение упало и добавит его на выходе. Я в правильном направлении мыслю?

[Телекот]

Направление правильное, но как всегда излишни сложное.
Зачем вам диодное ИЛИ? Когда это ИЛИ сыграют сами ключи.

[a5021]

Согласен, узел получается очень сложным. Пожалуй, даже сложнее, чем весь остальной драйвер. И если от диодов я уже отказался, т.к. компараторы с открытым коллектором позволяют соединять их по схеме "монтажное ИЛИ", то вторая проблема -- каким образом возвращать схему в исходное состояние, т.е. отменять повышение напряжения -- заставляет задуматься об ошибочном подходе в силу переусложнения схемы. И вот на это место начинает прямо таки проситься микроконтроллер. В принципе, использование МК в драйверах светодиодов тема тоже не новая, но все, что мне попадалось на этот счет, вызывает легкое разочарование. МК используют в DC-DC преобразователе, пытаются управлять линейной частью, но выглядит это все так, что либо такие решения рождаются от непонимания, либо от жуткого стеснения в элементарной базе. Это, как, если бы в какой-нибудь большой схеме, все диоды заменить переходами биполярных транзисторов. Теоретически, это можно сделать, но выглядеть будет малообъяснимо и крайне уныло.

Я хочу попробовать проработать подход, когда МК используется чисто для мониторинга и управления питанием. В принципе, такая задача считается для микроконтроллера типичной. Немного смущает, что управление будет дискретным, но термические процессы в светодиодном светильнике не происходят молниеносно, что оставляет надежду на приемлемость этой самой дискретности в данном случае.

Итак имеем, что нужно отслеживать напряжение на стоках регулирующих мосфетов. Так как напряжения там не должны быть больше пары вольт, то это позволяет заводить эти линии прямо на входы АЦП МК без дополнительных усилителей/преобразователей. Быстродействия АЦП современных МК хватает, чтобы организовать измерения по нескольким линиям с частотой где-то в районе десятков-сотен герц. Условно говоря, такая скорость опроса может считаться достаточной для нашей задачи. Теперь, когда имеются измерения с объекта управления, в управляющем алгоритме МК можно реализовать достаточно сложную логику принятия решений и выдачу управляющих команд. Теоретически, можно дойти до того, что использовать DC-DC конвертер на несколько напряжений (скажем, 18, 19, 20 и т.д. вольт) и коммутировать нужное напряжение на каждый драйвер линейки индивидуально. Я не говорю, что это нужно обязательно делать, но как иллюстрацию возможностей, упомянуть можно.

Затянув МК в схему, можно на него повесить дополнительные функции, как то, наблюдение за температурой, сигнализацию, аварийное отключение и т.д. Если пойти дальше, то там вплоть до сбора статистики можно организовать, как менялись параметры в разных точках схемы в течение времени, чтобы впоследствии слить по последовательному интерфейсу это дело на компьютер и вдумчиво проанализировать, как работает схема в реальных условиях. Но это, так, бантики и цветочки на случай, если захочется чего-то необычного.

Имеет ли добавление МК в схему отрицательные стороны? Имеет. Не смотря на то, что упрощается логическая часть схемы и сокращается число деталей, программная реализация управляющего алгоритма таит в себе опасность наличия ошибок, как явных, так и скрытых. Оно конечно от квалификации пишущего программу зависит, но, как показывает практика, законы Мерфи в большинстве случаев работают, и положение одного из этих законов, что последняя найденная в программе ошибка, на самом деле является предпоследней, весьма жизненно.

[Starichok51]

не надо совать МК туда, где он на хрен не нужен...

вот тебе драйвер на 350 мА и с выходом практически от нуля до 30 Вольт (от 1 до 8-9 светодиодов).
расчет транса только надо будет сделать.
и не надо ломать голову над "изобретением" следящего источника напряжения. все изобретено до нас...
первый ОУ - защитный, от перенапряжения, когда нет нагрузки.
второй ОУ - собственно регулирует ток.
ну, может, придется чуток построить R9 для получения ровно 350 мА. или R10. или R11. все равно, каким резистором...

[a5021]

Схема неплохая и спасибо, что вы ее тут приводите. Подозреваю, что она мне весьма пригодится, но не прямо сейчас. Наверное я совершенно напрасно не выложил тут все исходные требования, на которые я ориентируюсь при создании драйвера светодиодного светильника. Сейчас я попробую их сформулировать.

История развивалась так: возникла потребность в освещении помещения, где имеющиеся на данный момент осветительные приборы не справляются со своими функциями, т.к. сделаны и размещены были крайне неудачно. Заменить или вообще трогать их крайне не желательно, т.к. они являются частью интерьера и в этом качестве свое назначение выполняют достойно. Не вдаваясь в детали можно сказать, что доступа к потолку нет совсем и работы на нем не возможны. Значит, остаются варианты настенного или бокового освещения при помощи дополнительных источников света. Не мудрствуя лукаво, я решил, что одним из вариантов создания дополнительного освещения могли бы стать светодиодные светильники, подсвечивающие потолок из ниш в стене, создавая освещение в помещении отраженным от потолка светом. Простейшие соображения насчет количества таких светильников, наводят на мысль, что их должно быть несколько и они должны быть размещены так, чтобы потолок засвечивался относительно равномерно. Светильники должны обеспечивать освещение в помещении на уровне, соответствующем количеству света, получаемому от традиционных ламп накаливания, суммарной мощностью 150-200вт. Предварительные и не очень точные расчеты показывают, что такое освещение возможно получить, если использовать светодиодные источники с совокупным потоком 2000-2500 люмен. Возможно, что эта цифра должна быть несколько больше, если учитывать "отраженный" характер освещения. Пока стоит считать эти цифры прикидочными, т.к. окончательные выводы будут делаться после натурных испытаний.

Для использования в качестве источников света были выбраны и заказаны "на пробу" в Китае недорогие светодиоды в формате 5730 выдающие 40-50лм при токе 150ма и "яичница" с током 350ма и потоком в 100лм. Честность китайские цифр тут не принципиальна, т.к. в конечном изделии возможно будут использованы другие светодиоды, а эти берутся, главным образом, чтобы мучить их, жечь и пытать.

По первому варианту предполагается создать светильник из 20 светодиодов 5730, четыре линейки по пять штук в каждой. Это все те же 18-20 вольт при токе 150ма (х4) и световом потоке в районе 800-1000 люмен. Из яичницы можно попробовать сделать что-то похожее, возможно, с меньшим количеством линеек. Сейчас сложно говорить об этом, т.к. я плохо представляю, насколько хорошо будут светить эти светильники и насколько их будет хватать. Поэтому конструкция прорабатывается с запасом.

Пока светодиоды едут из Китая, есть время определиться со схемой драйвера. Вариант подключить линейки светодиодов в параллель к драйверу, навесив на каждую резистор, мне не нравится по причине высоких потерь и известных недостатков. Схема блок питания + четыре линейных регулятора с низкими потерями выглядит интереснее. Если ничего лучше не придумается, то на ней и остановлюсь, но идея, когда линейный регулятор сам себе выбирает напряжение питания, выглядит заманчиво и если найдется способ разработать простой механизм, с помощью которого будет достигнут такой функционал, то это будет лучшим вариантом.

Двигаясь в этом направлении, на данный момент просматривается некая конструкция, когда драйвер светильника будет состоять из повышающего/понижащего DC-DC (на 3843 или даже 34063), плюс четыре канала линейника на tsm104i или LM324+опорник, плюс четыре мосфета, плюс МК на мониторинге и управлении питанием. Все вместе не выглядит столь уж тяжелой схемой, чтобы вопрос насчет упрощения вставал сколь-нибудь остро. Если добиться низких потерь на мосфетах, то можно взять сборки в SO8 и тогда весь такой драйвер с зачатками интеллекта будет состоять из пяти корпусов + рассыпуха.

Теперь о том, почему я нахожу интересным прикрутить МК к драйверу. Во первых, это улучшает функционал, а во вторых появляется возможность допиливать нужные фичи уже после изготовления устройства без переделки схемы (можно организовать диммирование, автоматические: регулировка яркости, включение/выключение и всякое такое), если заранее предусмотреть возможности расширения. Дальше только фантазию включай и все, что хочешь, вплоть до учета электроэнергии и подключения к системам умного дома. Кому-то это покажется блажью или баловством, но по мне, это не стоит дорого, не требует адских усилий, так почему бы нет.

[Телекот]

. Вариант подключить линейки светодиодов в параллель к драйверу, навесив на каждую резистор, мне не нравится по причине высоких потерь

Вы считаете потери в 10-15% большими?

[Starichok51]

Вариант подключить линейки светодиодов в параллель к драйверу, навесив на каждую резистор, мне не нравится по причине высоких потерь и известных недостатков. Схема блок питания + четыре линейных регулятора с низкими потерями выглядит интереснее.

ничего в этом интересного нет. линейник имеет ровно столько же потерь, сколько имеет резистор. полевик == резистор.
иметь общий источник питания - тоже весьма некрасиво. ты, что, будешь опоясывать все стены проводами от источника?
ладно, допустим, что источник один на все светильники. при разном количестве диодов в группах и для получения минимальных потерь индивидуальные драйверы нужно делать только импульсные и ни в коем случае не линейные.
на счет диммирования.
в моей схеме, в простейшем случае, R10 заменяется переменником, и с движка подается на вход ОУ.
можно с МК отфильтровать ШИМ и подать его на вход ОУ.

[a5021]

Вы считаете потери в 10-15% большими?

Так все же относительно. Но если вопрос решается запайкой копеечного операционника и копеечного мосфета, то почему не улучшить? Если же я буду говорить за себя, то у меня они вообще бесплатные, повыдранные из старых материнских плат.

линейник имеет ровно столько же потерь, сколько имеет резистор. полевик == резистор.

Если считать, что свойства регулируемого объекта не изменяются, то такое утверждение справедливо. У нас же светодиоды разогреваются и их параметры меняются вследствие этого. Вот две модели: первая расчитана для температуры 25 градусов (не удивляйтесь дивной величине резистора R9, т.к. пришлось специально подбирать сопротивление, чтобы токопотребление пассивной линейки выравнять с линейкой включенной через стабилизатор), а вторая для температуры 65 градусов. Кроме температуры, модели больше ничем не отличаются.





И выходит, что пассивная линейка хуже светит, т.к. через нее течет меньший ток (значения в синей рамке), но в то же время лучше греет резистором, т.к. рассеиваемая мощность (значения в красной рамке) на нем оказывается выше, чем на мосфете. Мне кажется, это не совсем то, чего бы мы хотели от схемы.

На каждой пассивной линейке в тепло уходит лишних 140мвт, что для четырех линеек составит уже больше полуватта. Может и не много, да только зачем?

иметь общий источник питания - тоже весьма некрасиво. ты, что, будешь опоясывать все стены проводами от источника?

Согласен. Решение пока не найдено.

при разном количестве диодов в группах и для получения минимальных потерь индивидуальные драйверы нужно делать только импульсные и ни в коем случае не линейные.

Нет-нет. Число диодов в линейках всегда одинаковое. Иначе вся затея теряет смысл. Индивидуальные импульсные драйверы для каждой линейки это лучшее решение, но оно же и самое затратное. Получается по четыре драйвера на светильник, а если предположить, что светильников тоже будет четыре, то всего потребуется шестнадцать драйверов. Какое-то мелкосерийное производство надо устраивать. Все-таки более оптимальным я вижу AC-DC или DC-DC источник на каждый светильник, а уж от него четырехканальный линейный стабилизатор.

в моей схеме, в простейшем случае, R10 заменяется переменником, и с движка подается на вход ОУ.
можно с МК отфильтровать ШИМ и подать его на вход ОУ.

Не, по потенциалу запиливания разнообразных фич моя задумка вне конкуренции. Если захотеть, можно каждой линейкой управлять индивидуально. Менять яркость, гасить совсем. Если захочется совсем уж необычного, то подцепить ESP8266 за полторы сотни рублей



и развернуть на нем web сервер, чтобы через вайфай, как управлять светильником, так и просто наблюдать параметры устройства. Особые гики могут прокинуть это дело в интернет, чтобы находясь вне дома включать или выключать свет.

[Телекот]

чтобы находясь вне дома включать или выключать свет.

А кому в это время нужен свет у вас дома, и кому его надо включать и отключать? Я понимаю включить чайник или микроволновку, отопление, а свет кому?

[a5021]

Я ж написал, "особым гикам". И это не обязательно я. Еще наверное забывчивым гражданам -- посмотреть выключили ли они свет. Если нет, то выключить.

[АлександрЛ]

А кому в это время нужен свет у вас дома, и кому его надо включать и отключать?

Иногда, надолго уезжая из дома, некоторые "имитируют присутствие"- включают свет в разных комнатах, радио...

[Телекот]

А это надо делать по инету? Я думаю проще по программе. В поездке или на отдыхе я бы ещё думал когда включать свет.

[a5021]

Теща вечерком зашла цветы полить, открыв дверь своим ключом, а в середине процесса свет во всех комнатах начал сам собой включаться и выключаться. Тут ее удар и хватил. Полезное, в общем, устройство. Даже очень.

[Starichok51]

Если считать, что свойства регулируемого объекта не изменяются, то такое утверждение справедливо.

я тебе говорил про потери, а не про стабильность тока.
посмотри свою первую картинку, мощность на резисторе и на полевике, и увидишь одинаковое число pd = 545.24 мВт.
именно поэтому я сказал, что

линейник имеет ровно столько же потерь, сколько имеет резистор. полевик == резистор.

у светодиодов (как и у просто диодов) с повышением температуры падение уменьшается. а у тебя на второй модели почему-то увеличилось...

[a5021]

я тебе говорил про потери, а не про стабильность тока.

А разве потери никак со стабильностью тока не связаны? Если ток ниже, то ниже поток света -- потери в светимости. Если ток выше, то выше нагрев -- потери через рассеиваемую мощность. Чет я не понимаю...

посмотри свою первую картинку, мощность на резисторе и на полевике, и увидишь одинаковое число pd = 545.24 мВт.

Я ж отдельно оговорил, что специально вывел подбором сопротивления одинаковую величину тока в обоих цепях. Это стартовые условия, когда токи в цепях равны, как равны сопротивления канала и балластного резистора.

именно поэтому я сказал, что

линейник имеет ровно столько же потерь, сколько имеет резистор. полевик == резистор.

Нет. Холодные (25С) схемы имеют одинаковые потери. Горячие (65С) -- разные. С нагревом у P-N перехода (светодиод) увеличивается проводимость. Ток в цепи возрастает. Линейник прижал ток, а резистор этого не умеет. Как тут могут быть одинаковые потери, если токи разные?

у светодиодов (как и у просто диодов) с повышением температуры падение уменьшается. а у тебя на второй модели почему-то увеличилось...

Справедливое замечание. Так не должно быть. Со SPICE-моделями светодиодов как-то напряжно дело обстоит. В микрокаповских библиотеках их нет, а те, что удалось нарыть в интернете, не выдерживают критики.

Я заменил на схеме все мои псевдо-светодиды на родные микрокаповские модели диодов 1N4001. Все сразу стало выглядеть еще хуже. Теперь с ростом температуры в цепи с резистором просто тупо растет ток. Раз у нас входное напряжение не меняется, то мощность растет пропорционально. Линейка будет рассеивать большую мощность -- часть на диодах, часть на резисторе. Стабилизированная линейка будет рассеивать ту же мощность, что и ранее, но, если я правильно понимаю, на диодах меньше, а на мосфете больше. Никак тут не получается "полевик == резистор".

[Starichok51]

как говорится, не надо путать мягкое с теплым. потери - это потери. стабильность - это стабильность. это совершенно разные, независимые, вещи.
а то, что резистор не стабилизирует ток - это и козе понятно.

Холодные (25С) схемы имеют одинаковые потери

и я тебе то же самое твержу, что линейный регулятор имеет точно такие же потери, как резистор.

Я ж отдельно оговорил, что специально вывел подбором сопротивления одинаковую величину тока в обоих цепях.

при высокой температуре ты можешь тоже подобрать сопротивление для одинакового тока. и опять потери будут равны.

[a5021]

как говорится, не надо путать мягкое с теплым. потери - это потери. стабильность - это стабильность. это совершенно разные, независимые, вещи.
а то, что резистор не стабилизирует ток - это и козе понятно.

Раз не стабилизирует, то в драйвере светодиодов ему делать нечего, т.к. протекание тока, стабилизированного по величине, является условием задачи.

и я тебе то же самое твержу, что линейный регулятор имеет точно такие же потери, как резистор.

Для всех возможных состояний цепи, это утверждение не верно.

при высокой температуре ты можешь тоже подобрать сопротивление для одинакового тока. и опять потери будут равны.

И как это решает задачу автоматического регулирования?

[Starichok51]

тогда, извиняюсь, а на хера ты там подбирал резистор для получения одинакового тока, если это не решает задачу?
я тебе уже в который раз пытаюсь донести, что линейный регулятор - это такая же "печка", как и простой резистор.

[a5021]

Резистор я подбирал исключительно, чтобы выравнять стартовые условия. Чтобы при т=25 ток в цепях был равный и что бы наглядно было видно, как с разогревом в цепи с балластным резистором растут ток и потери. У линейного регулятора ток не растет и потери в цепи не увеличиваются. Где выше ток, там выше и нагрев. Линейный регулятор может и будет печкой, но все равно меньшей, чем резистор. Либо, резистор надо подбирать так, чтобы токи обеих цепей выравнивались в точке максимального разогрева. Но в этом случае светодиоды будут недогружены, пока не выйдут на расчетную температуру. К тому же, выйдут или нет, это придется экспериментальным путем выяснять, а потом убедиться, что не идут разогреваться дальше. Оно точно надо так упрощать схему, чтобы потом иметь подобынй секес с установкой рабочего режима?

[Starichok51]

а кто говорил, что надо упрощать схему?
я тебе дал довольно сложную схему, с очень высокой стабилизацией тока.