Problem z napędem PWM LED
Prowadzę 6 pasków LED do gałęzi szereg-5 ze sterownikiem PWM. Każda gałąź ma opór 90R. W listwach zastosowano diody OSRAM GW JCLPS2.EM 6500K.
zasymuluj ten obwód - schemat utworzony za pomocą CircuitLab
Moje napięcie wejściowe wynosi 28 VDC i przy tym poziomie napięcia cykl pracy mojego sterownika pwm wynosi 30%. Moja częstotliwość przełączania wynosi około 800 Hz.
zasymuluj ten obwód
Mój główny schemat pokazano poniżej.
Kiedy zmierzyłem napięcie przewodzenia (Vf) jednej diody LED na jednym pasku z oscyloskopem, zobaczyłem sygnał pokazany poniżej.
--- Dlaczego widziałem około 960mV Vf w czasie wyłączenia PWM?
Tak więc moje wyjście sygnału sterownika PWM przy pełnym obciążeniu (50 szt. Taśm LED) to:
Widziałem, że przy wyłączonym sygnale PWM było 8,25V.
Na koniec podłączyłem 4 omowe pełne obciążenie rezystancyjne (reostat) do końca wyjścia mojego sterownika PWM.
Sygnał był następujący.
Dlaczego mierzony przeze mnie sygnał różni się przy obciążeniu taśm LED i rezystancyjnym?
Z góry dziękuję za odpowiedzi.
Odpowiedzi
Diody LED, podobnie jak wszystko inne w elektronice, są urządzeniami kontrolowanymi przez ładunek : pozwólcie, że wyjaśnię nieco tę kwestię z (być może długą) przesłanką.
Kiedy przykładasz stałe napięcie \$V_{AK}\$między anodą a katodą jednej z tych diod prąd anodowy \$I_A\$ zaczyna się podnosić i przepływa przez nią, aż osiągnie wartość równowagi $$ I_A=I_o\left(e^\frac{V_{AK}}{V_T} - 1\right)\label{1}\tag{1} $$ gdzie
- \$I_o\$jest prądem nasycenia złącza
- \$V_T=k_BT/q\$jest zwykłym napięciem termicznym w temperaturze złącza \$T\$, \$k_B\$jest stałą Boltzmanna i \$q\$ jest podstawowym ładunkiem.
Jednak równanie \ eqref {1} jest ważne tylko w stanie równowagi, tj. Po zakończeniu procesu przejściowego: ten proces transferu przechowuje ładunek wewnątrz urządzenia, który zmienia jego stan przewodzenia , umożliwiając przepływ prądu: zmagazynowany ładunek ma w przybliżeniu następująca wartość$$ Q_j\simeq \tau_{jm} I_A $$gdzie \$\tau_{jm}\$jest łącznikiem opłat mniejszościowych dożywotnio .
Co to oznacza? Oznacza to, że bardziej realistyczny równoważny obwód dynamiczny diody LED powinien mieć przynajmniej następującą postać
zasymuluj ten obwód - schemat utworzony za pomocą CircuitLab
gdzie \$C_j\$jest (bardzo) dużą pojemnością złącza diody polaryzacji do przodu , która ma w przybliżeniu następującą wartość$$ C_j= \frac{Q_j}{V_{AK}}\simeq \frac{\tau_{jm} I_A}{V_{AK}} $$
Obecność \$C_j\$oznacza, że po wyłączeniu sterownika MOSFET, podczas gdy globalny prąd płynący przez szeregowe połączenie diod LED (pasek LED) ustaje, każdy lokalny prąd anody LED nadal przepływa przez idealną część rozładowującą się urządzenia \$C_j\$chociaż to, dopóki ta pojemność się nie rozładuje i napięcie anodowe \$V_{AK}\$spada do zera. Jednak, gdy napięcie anody osiąga tak zwany próg diody napięcia tj \$V_{AK}\simeq V_\mathrm{th}\$prąd anodowy \ eqref {1} spada do bardzo niskich wartości (w \$\mu\mathrm{A}\$zakres): oznacza to, że proces samorozładowania ulega znacznemu spowolnieniu, a tym samym w małych skalach czasowych, ponieważ \$500\mu\mathrm{s}/\text{div}\$używasz do poprawnej wizualizacji przebiegu PWM, mierzysz prawie stałe napięcie anodowe \$V_{AK}\simeq V_\mathrm{th}\$.
Uwagi końcowe .
Proces rozładowywania \$C_j\$ opisany powyżej jest opisem poziomu obwodu czasu wymaganego przez ładunki mniejszościowe wstrzyknięte w złącze podczas rekombinacji (bez promieniowania) wewnątrz urządzenia.
Dodatek po komentarzach . Bardzo szczegółowe wyjaśnienie mechanizmu przełączania w ogólnych diodach złączowych (które jednak nie dotyczy bezpośrednio diod LED), obejmujące zarówno fizykę półprzewodników, jak i teorię obwodów, zawarte jest w dwóch starych monografiach [1] i [2].
Opisany efekt ma niewielki, jeśli w ogóle, wpływ na działanie kontroli prądu PWM. Skutecznie ułatwia włączanie łańcucha LED, ponieważ wszystkie diody są już spolaryzowane (po pierwszej komutacji PWM) w pobliżu ich anody emitującej do napięcia katodowego \$V_F\$dlatego nie ma potrzeby ponownego ładowania co \$C_j\$: również wygładza zachowanie lub prąd anodowy diod, działając jako filtr dolnoprzepustowy.
Bibliografia
[1] Yu. R. Nosov, „Switching in Semiconductor Diodes”, Plenum Press (1969).
[2] Yu. A. Tkhorik, „Transient in Pulsed Semiconductor Diodes”, Izraelski Program tłumaczeń naukowych (1968).