Analiza sterownika diody LED

W tej rubryce przedstawiane są odpowiedzi na wybrane pytania dotyczące elektroniki, zawarte w komentarzach do postów i filmów, nadsyłane przez Patronów i Mecenasów oraz innych Czytelników za pomocą kanałów podanych na stronie: Zapytaj, odpowiedz.

Witam. Chciałbym zapytać o (…) stabilizator prądu diody LED (…). W jaki sposób należy podejść do analizy? (…) Nie mam pojęcia jak to rozwikłać. (…) jak przeanalizować, co się dzieje w obwodzie od chwili podania (…) napięcia +V do momentu ustalenia prądów i napięć?

Jeden z moich Patronów przysłał powyższą prośbę dotyczącą rysunku 1. Oto pełna treść:

Witam, chciałbym zapytać o obwód przedstawiony jako Zagadka 2310 (stabilizator prądu diody LED), którego rozwiązanie znajduje się w grudniowym numerze ZE. W jaki sposób należy podejść do analizy takiego układu? Przedstawię poniżej mój tok rozumowania.

Zakładam, że w chwili t=0 wszystkie prądy i napięcia w obwodzie wynoszą 0. Teraz podajemy napięcie pomiędzy zaciskiem +V i masą o wartości na poziomie np. 5…12 V. Żeby w obwodzie pojawiły się jakieś prądy musi przewodzić T1, ale jego baza połączona jest z kolektorem T3. Jednak żeby przewodził T3 musi płynąć prąd kolektora T1, ale do tego potrzebny jest prąd bazy T1 i sprawa się zapętla. Nie mam pojęcia, jak to rozwikłać.

Wiedząc do czego służy układ można podejrzewać, że T2 i T3, które pracują chyba jako lustro prądowe, wprowadzają sprzężenie zwrotne pomiędzy prądami bazy i kolektora T1. Pytanie, jak przeanalizować co się dzieje w obwodzie od chwili podania danego (ustalonego) napięcia +V do momentu ustalenia prądów i napięć w obwodzie, bo, jak rozumiem, dla ustalonego napięcia +V układ dojdzie do pewnego stanu równowagi, gdzie prąd diody (i wszystkie pozostałe) będą stałe. Czy mogę prosić żeby w kilku zdaniach opisał Pan, jak należy podejść do analizy takiego obwodu? Pozdrawiam.

Michał

Szczególnie intrygujące jest zagadnienie, czy układ w ogóle zacznie pracę po włączeniu zasilania, gdy z początku wszystkie tranzystory są zatkane?

Otóż układ nieco przypomina strukturę tyrystorową, pokazaną na rysunku 2. Ogólnie wiadomo, że struktura tyrystorowa po włączeniu zasilania powinna pozostać nieczynna – tranzystory składowe nie powinny przewodzić. W dalszej części tego artykułu podane jest wyjaśnienie dotyczące rysunku 1 – czy i w jakich warunkach taki układ może prawidłowo zacząć pracę?

Ale na razie rozważania zacznijmy od pracy w stanie ustalonym, gdy prądy i napięcia mają finalne wartości. Schemat można przerysować i nieco uprościć, do postaci pokazanej na rysunku 3. Pominąłem rezystor R1, który nie jest niezbędny i nie ma wpływu na działanie. Rezystor R3, o niewielkiej wartości, jest czujnikiem prądu płynącego przez diodę LED. Zmiany napięcia na R3 zmieniają prąd tranzystora T3, a przez to także T1, czyli prąd diody LED.

Aby pokazać podstawową zasadę działania, warto jeszcze bardziej uprościć układ – do którejś z postaci pokazanych na rysunku 4. „Górny” tranzystor T1 bezpośrednio reguluje najbardziej nas interesujący prąd, płynący przez diodę LED. Ten prąd płynie dalej przez rezystor R3 i wywołuje na nim niewielki spadek napięcia. Wzmacniaczem błędu jest tranzystor T3, na którego bazie występuje jakieś ustalone, prawidłowo dobrane napięcie odniesienia U_REF.

Na to napięcie odniesienia U_REF składa się suma napięcia baza–emiter tranzystora T3 i spadku napięcia na R3. Wejściem tego prostego wzmacniacza błędu jest emiter T3, bo tranzystor T3 pracuje w układzie ze wspólną bazą. Małe zmiany napięcia na R3 powodują duże zmiany prądu tranzystora T3, a w efekcie także tranzystora T1.

Jeżeli z jakichś przyczyn nastąpiłby wzrost prądu płynącego przez diodę LED i przez rezystor R3, spowoduje to zmniejszenie prądu tranzystorów T3 i T1, co doprowadzi do przywrócenia ustalonej wartości prądu pracy diody LED. W pętli regulacji występuje duże wzmocnienie (wzmocnienie dwóch tranzystorów T1, T3), ale też silne ujemne sprzężenie zwrotne, zapewniające skuteczną stabilizację prądu diody LED.

Stabilizacja ta będzie niezależna od temperatury tylko wtedy, jeżeli pod wpływem zmian temperatury odpowiednio zmieniać się będzie także napięcie U_REF tak, żeby wyeliminować zmiany cieplne napięcia U_BE tranzystora T3.

Skuteczną kompensację zmian temperatury złącza baza-emiter tranzystora T3 zapewnia, a przynajmniej umożliwia, tranzystor T2. Można uznać, że przy prawidłowej realizacji praktycznego układu, zmiany temperatury jednakowo zmieniają napięcia baza-emiter obu tranzystorów T3, T2, co w idealnym przypadku powinno całkowicie wyeliminować wpływ zmian temperatury na wartość prądu diody LED. Podstawowym warunkiem jest jednakowa temperatura złączy tranzystorów T2, T3. Dostępne są pary tranzystorów zawarte w jednej strukturze. Jednak w praktyce mogą to być dwa oddzielne, zwykłe tranzystory; wystarczy aby ich obudowy dotykały do siebie i miały w przybliżeniu jednakową temperaturę.

W przedstawionym właśnie prostym rozumowaniu uznajemy, że tranzystor T3 pracuje w układzie ze wspólną bazą, a tranzystor T2 pracujący w układzie diodowym zapewnia pełną kompensację termiczną. Oczywiście do układu można podejść inaczej i potraktować T2, T3 jako lustro prądowe, co słusznie zasugerował Autor pytania zacytowanego na wstępie.

Wtedy warto zacząć od dwóch jednakowych tranzystorów w uproszczonym układzie z rysunku 5. Jeżeli tranzystory T_A, T_B są identyczne i mają taką samą temperaturę, to przy zmianach napięcia U_BE ich prądy kolektorów są dokładnie takie same.

Dokładnie tak samo jest w układzie z rysunku 6a. A jeżeli pominiemy prądy baz, to możemy uznać, że praktycznie równe są prądy zaznaczone na rysunku 6b. Tu wielkość napięcia U_L i rezystora R_L decydują o wartości prądu płynącego przez tranzystor T_B i w idealnym przypadku taką samą wartość powinien mieć prąd tranzystora T_A.

W układzie z rysunku 1 w obwodzie emitera tranzystora T3 umieszczony jest rezystor R3 o niewielkiej wartości. Na tym rezystorze wystąpi jakiś niewielki spadek napięcia, a to zmniejszy napięcie baza–emiter tranzystora T3. I tu trzeba przypomnieć podane kilkadziesiąt lat temu zależności między prądem tranzystora bipolarnego a jego napięciem baza–emiter (wzór Shockley’a) – rysunek 7.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze lutowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 2/2024). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 2/2024 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10 zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.