lauantai 4. helmikuuta 2012

Ledille vakiovirta

Rakennettiin veljen kanssa jälleen kerran jotakin ledi vilkutinta, olisiko peräti ollut Atmelli -pohjainen PWM ohjaus ledeille. Muistelisinpa että peräti RGB ohjainta suunniteltiin. Ohjauksessa taisi olla teho RGB ledi. Googlettelujen jälkeen löytyikin sitten ratkaisu, miten ledille voitaisiin tarjoilla vakiovirta. Ledit kun sellaista kaipaavat. Tämä kytkentä siis on löytynyt suoraan netistä, aikoja sitten, mutta sitä on muistaakseni vähän muokattu. Koska kytkentä toimi erinomaisesti ja mielestäni siinä on jotakin erittäin nerokasta, ajattelin kirjoitella sen ylös.


Kytkennän voisi purkaa vaikka seuraavalla tavalla:

Ledit D1 ja D2, sekä fetti Q1 ja vastus R1 ovat kaikki sarjassa. Jos fetti Q1 johtaisi täysin se voitaisiin ajatella pois tästä kytkennästä. Näin jäljelle jää periaatteessa perinteinen ledi kytkentä, jossa kaksi lediä ja vastus. Tämän sarjan päissä vaikuttaa jännite ja koko sarjan läpi kulkee näin virta. Koska sarjan läpi kulkee virta, sama (saman suuruinen) virta kulkee jokaisen sarjassa olevan komponentin läpi. Virran suuruus määräytyy jännitteestä sekä komponenttien resistanssista tässä sarjassa.

Ajatellaan asia toisin päin. Jos ledi kytketään vaikka säädettävään laboratorio virtalähteeseen, jännitteellä voi säätää ledille haluamansa kirkkauden. Koska ledin resistanssi on kiinteä, jännitettä nostamalla ledin läpi kulkeva virta kasvaa ja ledi loistaa mukavasti.

Tässä sovelluksessa ei käytännössä oteta kantaa siihen, mikä ledin jännite on, vaan siihen kuinka suuri virta ledien läpi voi mennä. Jännite kiinnostaa tietenkin siinä määrin, että jos yksi ledi tarvii palaakseen 3,2 voltin jännitteen ja ledejä on kaksi sarjassa, täytyy ledeille saada vähintään 6,4 voltin jännite. Mutta palataan tähän myöhemmin. Oletetaanpas, että näiden ledien maksimi virta on vaikkapa 80mA ja me haluamme ledeistä pitkäikäiset kulkuvalot vaikkapa pienois- linja-autoon penkkien alle. Märitellään halutuksi ledin virraksi esimerkiksi 50mA. Kuten jo äsken pohdittiinkin, tämä sama 50mA:n virtahan kulkee molempien ledien, fetin, sekä vastuksen R1 läpi aiheuttaen jokaiseen näistä jännitehäviön. Vastuksen R1 jännitehäviön suuruushan määräytyy nyt vastuksen koosta. Määritellään vastuksen koko niin, että siihen jää 0,6V:n suuruinen jännitehäviö. R=U/I, eli R=0,6V / 50mA, R=12 Ohm. 12 Ohm:n vastuksen läpi kun johdetaan 50mA:n virta siihen syntyy 0,6V:n  jännitehäviö. Miksi juuri 0,6V?

Sen vuoksi, että transistori alkaa johtamaan noin 0,6V:n kohdalla. Nyt kun katsoo kytkentää, niin R1 on piirretty transistorin kannan ja emitterin välille niin, että kun vastuksen jännite nousee yli 0,6V:n transistori alkaa johtamaan.

Ledien läpikulkeva virta on 50mA tai alle:
Myös vastuksen R1 virta on alle 50mA ja jännite jää alle 0,6V. Tässä tapauksessa transistorikaan ei johda. Tässä tilanteessa fetin kannassa on täysi käyttöjännite, koska käyttöjännite on kytketty vastuksella R2 fetin kannalle. Koska feti ei ole virtaohjattu komponentti, sen kanta ei käytännössä ota virtaa laisinkaan, jolloin vastukseen R2 ei myöskään jää jännitehäviötä. Tässä tilanteessa fetin kannalla pysyy siis käyttöjännitteen suuruinen jännite ja fet johtaa.

Ledien läpikulkeva virta nousee yli 50mA:in
Myös vastuksessa virta nousee. Tämän virran nousun myötä, vastuksen yli oleva jännitehäviö nousee yli 0,6V:n ja transistori alkaa johtamaan. Transistorin alkaessa johtamaan, fetin kannalla olevaa jännitettä aletaankin johtamaan transistorin läpi maihin (syntyy virta), jolloin fetin kannan jännite laskee. Kun fetin kantajännite laskee feti ei johdakaan enää kokonaan vaan se alkaa rajoittamaan ledisarjassa kulkevaa virtaa. Kun ledisarjan virta pienenee -> vastuksen R1 läpi kulkeva virta pienenee -> vastuksen jännitehäviö pienenee -> transistori ei johda -> fetin kantajännite pääsee nousemaan. Ja sitten kierros alusta. Feti johtaa kokonaan jolloin virta kasvaa jne.

No lopputulos on sitten se, että tämä kaikki tapahtuu niin nopeaa, että loppujen lopuksi feti johtaa juuri sen verran, että vastukseen R1 jää noin 0,6V:n jännite, joka siis tarkoittaa, että ledisarjan virta on noin 50mA:n luokkaa.

Sitten se jänniteasia. Kuten aiemmin olikin mainittu, jokaiseen sarjan komponenttiin jää jännitehäviö. Ledeissä se oli 3,2V ja vastuksessa suurimmillaan 0,6V joten eikös sarjan yhteisjännitteeksi saada 7V. Kytkentä siis toimii tässä tapauksessa pienimmillään noin 7V:n jännitteellä.

Entäpä jos kytkennän jännitettä nostetaan yli 7V:n vaikkapa 12V:in. Tästähän aiheutuu heti ledisarjan + fetin + R1:n läpi kulkevan virran kasvaminen ja siitä seuraa sitten edellä kuvatut toimenpiteet virran laskemiseksi jonka jälkeen ledisarjan läpikulkevan virran suuruus on kiinteä 50mA. Tämä siis tarkoittaa sitä, että sisääntulojännite voi olla käytännössä mitä vain, niin ledisarjan läpi kulkeva virta on aina 50mA. Kytkentähän siis soveltuu mainiosti juurikin vaikkapa autokäyttöön, jossa startatessa jännite voi laskea hurjasti ja taas ladatessa se voi nousta kovasti.

Joku raja kuitenkin tulee vastaan. Käytännössä virran pysyessä 50mA:ssa, syöttöjännitteestä jakautuu yhteensä 6,4V ledeille, 0,6V vastukseen ja loppu jännitehäviö jää fetiin. Luonnollisesti feti ei voi kadottaa jännitettä taivaan tuuliin.  Tai, noh... niin jännite ei katoa mihinkään vaan feti muuttaa sen "ylimääräisen" energian lämmöksi joka sitten johtuu taivaan tuuliin jäähdytysrivasta. Kuten selvää, mitä enemmän feti joutuu kadottamaan jännitettä lämmöksi, sitä enemmän feti kuumenee. jäähdytyksestä siis kannattaa pitää huolta.

Ainiin, vielä yksi huomio. Laskettaessa vastusta R1, myös sen tehonkesto kannattaa ottaa huomioon. Tässä läpikulkeva virta oli 50mA ja jännite 0,6V joka tarkoittaa että (50mA * 0,6V = 30mW) vastuksen tehon keston on siis oltava 30mW. Suurilla teholedeillä virta saattaa olla paljon suurempi, jolloin vastuksen tehonkeston on siis oltava myös suurempi.