Egendesignad konstantströmsdrivare med PWM

[squiz3r]

Hej!

Jag behöver ha en konstantströmsdrivare (570mA) till lysdioderna som jag skall montera i min båt. Jag googlade en del men hittade inget schema på en regulator som använder sig av PWM. Då jag har brist på ström är jag inte intresserad av att bränna bort effekten i en transistor eller liknande... Så jag satte mig ner och ritade ett schema.

En PNP-transistor (max 1,2A konstant) med en förstärkning på 25ggr driver lysdioden. Denna drivs i sin tur med 35mA från en NPN-transistor med 50ggr hfe, dvs knappt en mA i styrsignal behövs. Strömmen går sedan via en spole på 100µH och en kondensator på 2200µF som jämnar ut strömmen till lysdioden. Efter lysdioden passerar den en resistor på 0,41 ohm innan den går till jord/minus. En operationsförstärkare/komperator jämför detta spänningsfallet (som ju är proportionellt mot strömmen) med en referensspänning på 1,25v som delas i en variabel spänningsdelare (sån att jag kan ställa in önskad ström). Komperatorn driver sen en indikationslysdiod och transistorn som ger ström till lysdioden.


Eftersom kretsen kommer att utsättas för en hel del vibrationer och mekaniska stötar körde jag alla IC-kretsar ytmonterade, dessa ska tydligen klara det bättre på grund av deras lägre massa. Till en början lyckades jag hålla det rent och strukturerat...


Men sedan kom ju alla dessa 5sot-23 kapslarna som gör att varje löd-ö på experimentkortet måste delas in i 2 eller 3 bitar, och då börjar det bli rörigt...


Och efter lite labbande och modifierande så var det bara ett stort skatbo..


Första testet utan spole, bara med kondensatorer gick inte så bra. Strömmen till lysdioden varierade med inspänningen och den magiska röken trillade ur vissa kretsar... (Fast den var nog inte så magisk, kretsarna fortsatte att fungera.)
Den övre linjen är signalen till transistorn (från komperatorn) och den undre är strömmen (spänningsfallet över 0,41ohms motståndet).


Men med spolen på plats så såg allt mycket bättre ut, närmast perfekt.


När jag ökade inspänningen blev spikarna lite värre, men lysdioden fick fortfarande exakt lika mycket ström.


Vid 15 volt in var det inte lika fint, men det fungerade i alla fall.


Alltså fungerar det så långt som att lysdioden alltid får exakt rätt ström, oberoende av lysdiodens temperatur och kretsens inspänning.
Problemet:
Det jag behöver hjälp med är att när jag höjer inspänningen så minskar inte inströmmen som den borde, utan den ligger kvar på exakt samma. Jag tror att det bränns bort som värme i pnp-transistorn.. På sista bilden kan man tydligt se att signalen till transistorn går bara upp till 2,5 volt, inte till 5 volt som jag vill. Detta gör att transistorn öppnar halvt och därmed blir varm.. Kan det vara så också att frekvensen (runt 3kHz) är så hög att det bildas onödig värme i transistorerna?

Om det skulle hjälpa att sänka frekvensen, hur gör jag då det?

Jag lade nu till en hysteres till komperatorn genom att koppla en 160kohm resistor mellan in+ och utgången. Detta gjorde att jag, som jag ville, fick en fin fyrkantsvåg från komperatorn till transistorn. Men ändå så minskar inte inströmmen när jag ökar spänningen... Jag är rätt säker på att det fortfarande är PNP-transistorn som bränner upp det till värme...

På bilden nedan syns högst uppe signalen från komperatorn till NPN-transistorn och där nere syns hela kretsens strömförbrukning. Strömförbrukningen mäts med en 2.2ohm 10w resistor. Som synes så är genomsnittsströmmen alltid 545mA (1,20v/2.2ohm) eftersom genomsnittsspänningen alltid är 1,20 volt trots att duty cyclen varierar... (strömmen till lysdioden är ca 750mA)
Vid runt 5 volt inspänning:


Ca 12 volt inspänning:


Detta problem övergår mitt förstånd... Är det någon som kan hjälpa mig?

Mvh. Daniel

[Icecap]

Denna funktion har blivit avhandlat tidigare och det finns en enkel lösning HÄR

Med en 100µH spole ska du ha en frekvens runt 50kHz innan det börjar ta sig så hela din lösning är fel i grunden, även i sättet allt är kopplat på.

[jesse]

Det känns som om flera komponenter hamnat fel här. Utan att gå in så noga på problemet, så ser jag t.ex. att dioden över spolen ska givetvis gå över spolen, lysdioden och strömavkänningsmotståndet .... för att bilda en krets där en jämn ström flyter genom lysdioden (det var väl målet?). Visserligen har du en 2200 µF kondensator som ger lite ström till lysdioden i "off"-perioderna, men annars är det ju tvärstopp när transistorn stryper. Den övre kondensatorn ska inte vara där! Där ska ju spänningen switchas - om det sitter en stor kondensator där kommer all energi gå ut genom den.

Strömmen minskar ju inte, men duty-cyclen minskar. Alltså minskar genomsnittsströmmen (även om det minskar för lite).

[Icecap]

Grejen med en switch-mode är att man laddar upp spolen med energi och sedan släpper transistorn som laddar, detta ger en mot-EMK-puls som via en snabb diod skickas på rätt håll.

I denna koppling är snart sagt allt felkopplat, iaf. den bit som har med spolen osv. att göra. Den kommer även att försöka en analog stabilisering vilket definitivt inte är önskvärd.

Men lösningen finns ju i mitt förra inlägg, på sida 4 finns färdigt och utprövat schema.

[Gustav180]

Om du nu nödvändigtvis inte vill bygga allt i löst virke, så kan du ta en integrerad buckregulator, t.ex. ur NS Simple switcher serien som klarar din utström och bygga så här. Se bara till att du får induktor som klarar switchströmmen som är ca 10 ggr uttagen ström och en snabb diod som också klarar switchströmmen. Den här kopplingen är testad med NS LM3009A för inspänning 8 - 90 V för att driva lysdioden i en optokopplare. Men då är det lite lägre ström.

Med en utström på 0,57 A och referensspänning på 1,25 V blir R1 = 2,2 ohm.

[Icecap]

Samma koppling som anges i den tråd jag länkade till, dock med högre förlust.

Vid att montera en op-amp så att spänningen över "shunten" förstärks kan man spara lite effekt där, något som på kraftigare LED kan ge kylningsproblem annars. Men som sagt: det finns redan klart och utprövat i länken jag gav.

[squiz3r]

Tack för länken Icecap, jag ska läsa igenom hela den tråden imorgon!

Att använda en buckregulator har slagit mig många gånger, jag har en stor hög med simple switcher's liggande som väntar på att användas. Men det är roligare, och speciellt mer lärorikt att bygga en själv! Det enklaste, och billigaste vågar jag påstå, hade varit att beställa en färdig från dealextreme, men då hade jag inte lärt mig av alla fel jag har gjort på min nuvarande design.

Imorgon ska jag fixa till de sakerna ni har nämnt här och se om det går bättre. När jag väl har fått denna att fungera så kan jag väll acceptera att en buckregulator troligen kommer erbjuda bättre verkningsgrad än ett hemmabygge, så då får det kanske slutgiltigt istället bli sånna i båten (såklart med en op-amp då, att bränna bort nära 1 watt i ett sensormotstånd är det ju ingen vits med). Men tills dess ska jag kämpa på!

>Strömmen minskar ju inte, men duty-cyclen minskar. Alltså minskar genomsnittsströmmen (även om det minskar för lite).
Strömmen ökar, från 1,44*2,2 till 1,92*2,2 och duty-cyclen minskar, därför blir genomsnittsströmmen 1,20*2,2 volt. (Det är ju Vavg som är 1,20 volt, så där är ju dc inräknad)

Mvh. Daniel

[ahlsten]

Icecap: Jag är ganska säker på att den applikationsspecifika kretsen i exemplet har inbyggd förstärkning av strömmätningsmotståndets spänningsfall.

[Borre]

Förstärkning och förstärkning, det ska fortfarande till ett spänningsfall på 1.25V över strömmätningsmotståndets vilket ger förluster. Gör man som exemplen i tråden IceCap länkar till kan man minska den förlusten väldigt mycket. I exemplet ovan, från drygt 0.71W till 0.071W om man istället använder ett motstånd på en tiondel och förstärker signalen.

[Mindmapper]

.
.
Imorgon ska jag fixa till de sakerna ni har nämnt här och se om det går bättre. När jag väl har fått denna att fungera så kan jag väll acceptera att en buckregulator troligen kommer erbjuda bättre verkningsgrad än ett hemmabygge, så då får det kanske slutgiltigt istället bli sånna i båten (såklart med en op-amp då, att bränna bort nära 1 watt i ett sensormotstånd är det ju ingen vits med). Men tills dess ska jag kämpa på!

Eller transistorer! RomanBlack har en hel del tips att ge, när man gillar att labba med switchat.
Titta där så hittar du lite av varje.
http://www.romanblack.com/smps/smps.htm

[Icecap]

ahlsten: men såklart! Kruxet är att det, precis som Borre skriver, förväntas ett visst spänningsfall över motståndet vilket ger en viss förlust. Kan man minska den spänning, t.ex. vid att förstärka den med en op-amp, minskar man effekten som eldas upp i det motstånd. Om man istället för 1,23V kan nöja sig med 0,123V minskar man effektutvecklingen i motståndet 100 gångar, en nog så kännbar minskning vid strömmar av en viss storlek.

[squiz3r]

Nu har jag tagit bort kondensatorn som satt 'ovanför' spolen, jag har ändrat på dioden som såklart satt fel och bytt den till en schottkydiod, också bytte jag spolen till en på 220µH istället för 100µH samt att jag ändrade till en lägre hysteres för att få upp frekvensen som nu ligger mellan 2,5 och 20kHz. Och nu fungerar den!

Vid 5 volt in, ca 3,6 volt ut har jag en effektvitet på 78%. (den undre är styrsignalen från komperatorn och den övre är strömmen till lysdioden)


Vid 15 volt in får jag en effektivitet på 68%.



Jag skall testa att bygga ihop en regulator av en LM2596S-ADJ också, och en "2-transistor" regulator. Förhoppningsvis kommer jag upp i lite högre effektivitet med min simple switcher.

Tack alla!
// Daniel

[Icecap]

Se där ja, det tar sig! Kör hårt!

[YD1150]

Testa med en liten kondensator över 10kohms motståndet
mellan OP:n och NPN-transistorn, värdet gissningsvis 100-680pF
Då borde den switcha lite snabbare och med mindre förluster.

[Borre]

Om man istället för 1,23V kan nöja sig med 0,123V minskar man effektutvecklingen i motståndet 100 gångar, en nog så kännbar minskning vid strömmar av en viss storlek.

Nej men 10 gånger lägre iaf. Men "bara" det ger ofta tillräckligt mycket för att vara värt det, räcker med drygt 0.8A innan man närmar sig 1W effektutveckling i motståndet normalt.