Могу ли я стробоскопировать светодиод с усилителем мощности звука?

Я пытаюсь сделать быстрый светодиодный стробоскоп для визуального периодического измерения механизмов, а именно вращающихся объектов. Я «спроектировал» схему оптопара/MOSFET и схему транзистор/MOSFET. Я планирую использовать Arduino в качестве источника точного стробоскопического сигнала, поэтому я хочу ограничить ток, потребляемый цифровыми контактами Arduino, до +-10 мА. После моделирования обеих схем в LTSpice я увидел, что мне приходится выбирать между базовым током и временем отклика или пиковым током нагрузки. Возможно, есть правильный способ проектирования таких схем, но я не эксперт. Моя цель состоит в том, чтобы стробировать светодиод минимум 100 мкс импульсов в 1000 мкс периодов. Я стремлюсь управлять мощным светодиодом COB, который потребляет около 1 А при 36 В (номинальное значение 40 Вт), чтобы я мог сделать хорошо видимый стробоскоп.

Потом мне пришло в голову, почему бы мне не использовать аудиоусилитель? Частота переключения, которая мне нужна, составляет около 10 кГц (1 с / 100 мкс), а входное сопротивление аудиоусилителя довольно высокое, поэтому цифрового выхода Arduino будет достаточно.

Можно ли стробоскопом управлять светодиодом с аудиоусилителем, если Ардуино подал импульсный сигнал на линейный вход? Если да, то как мне узнать коэффициент усиления по напряжению аудиоусилителя, который измеряется в ваттах при определенных нагрузках на сопротивление, чтобы я мог разработать правильное выходное напряжение для управления COB-светодиодом?

Редактировать: добавлена ​​схема и токовая характеристика светодиода, светодиод смоделирован как резистор 40 Ом (R2):драйвер транзистора-мосфета ток нагрузки R2

«Светодиод моделируется как резистор на 40 Ом». Пожалуйста, не надо. Vf будет играть здесь важную роль.
Хорошо, я понимаю, что это не совсем точно, но я не знаю, как включить характеристики iv конкретного светодиода, который я планирую использовать для ltspice. кривые подъема и падения были бы круче в реальном светодиоде, и это единственное различие, которое имело бы место в пределах моих ограниченных знаний.
Незачем. Обычно я просто обманываю с идеальными диодами в LTspice или комбинацией кремния и Шоттки, чтобы соответствовать Vf, который мне нужен. Я хочу сказать, что любое напряжение ниже Vf даст вам нулевой ток и, следовательно, нулевой свет.
Ладно, попробую повозиться с идеальными диодами. Любое напряжение ниже Vf, дающее мне нулевой ток, на самом деле приведет к тому, что импульс будет короче, я знаю об этом, и это принесет мне пользу в приложении. Но на самом деле светодиод COB, который я планирую использовать, начинает потреблять ток при 33,3 В и достигает 38 В при абсолютных максимальных номиналах. Я не был бы полностью удовлетворен результатами, если бы не смоделировал характеристики iv, как указано в таблице данных, поэтому я подумал, что резистор будет достаточно грубым предположением.
Хорошо, что вы в курсе. Поместите резистор последовательно, чтобы оставаться в пределах максимального указанного пикового тока на всех выходных уровнях.

Ответы (3)

Я думаю, вы обнаружите, что аудиоусилитель — плохой выбор в качестве драйвера светодиодов.

Он связан по переменному току, поэтому выходной сигнал колеблется как положительно, так и отрицательно по отношению к земле. Поэтому ваш светодиод должен быть защищен от обратных полупериодов, если он должен иметь долгий срок службы.

Выход аудиоусилителя представляет собой источник напряжения с низким импедансом, для светодиодов требуется привод постоянного тока или, по крайней мере, какая-либо форма ограничения тока.

Если бы вы использовали звуковой (линейный) усилитель, ему потребовалась бы гораздо более высокая полоса пропускания, чем 10 кГц, если импульс не должен быть серьезно искажен, 10 кГц — это только основная частотная составляющая импульса 100 мкс, и в зависимости от степени деградации вы можете себе позволить, я думаю, вам нужна частотная характеристика в районе 100 кГц. Насколько часты эти 100 мкс импульсов?

Светодиод с ограничением тока и защитой от обратного напряжения создаст серьезную нелинейную нагрузку на усилитель, с которой он может не очень хорошо справиться.

Насколько я понимаю, вы пытаетесь управлять светодиодом импульсами шириной 100 мкс, поэтому ток будет либо полностью включен, либо полностью выключен, всего два состояния. Поэтому вам не нужен линейный (аудио) усилитель, достаточно импульсного источника питания.

Рассматривали ли вы лучшее усиление между Arduino и светодиодом, используя транзисторы с более высоким коэффициентом усиления или дополнительный каскад? Нужна ли оптопара? Не могли бы вы опубликовать принципиальную схему и формы сигналов того, что вы пытаетесь сделать?

Позже

Глядя на техпаспорт IRF1405, я заметил, что VGS(th) (пороговое напряжение затвора) составляет от 2 до 4 В, добавьте к этому падение напряжения 0,7 В на 2N2222, и вы едва ли сможете включить IRF1405 при напряжении 5 В. поставлять. И это предполагает, что выход Arduino доходит до Vcc (5V).

Итак, почему вы используете конфигурацию эмиттерного повторителя для управления IRF1405? Заземлите эмиттер 2N2222, добавьте подходящий коллекторный резистор (скажем, около 1 кОм) и управляйте затвором IRF1405 с его коллектора. Хорошо, теперь ваш сигнал будет инвертирован, но это можно исправить простой программной настройкой. В этой конфигурации Ic 2N2222 будет 5 мА, а его hfe > 50, поэтому базовый ток 1 мА намного больше, чем потребуется для насыщения, и вы можете соответствующим образом рассчитать базовый резистор.

Я не могу найти значение VGS(max) для IRF1405, но в техническом описании указаны характеристики до 10 В, поэтому каскад 2N2222 можно запустить от напряжения 10 В пост. тока (если доступно), чтобы усилить нагрузку на IRF1405.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Выше показан дизайн «обратной стороны конверта». ВНИМАНИЕ - Это не проверено и может содержать ошибки!!

При напряжении на выходе Arduino 0 В Q2 выключен, V1 = 36 В и, следовательно, Q1 также выключен. V2 подключен к земле через R6, а M1 выключен, ток через светодиод не течет.

Когда выход Arduino изменяется на +5 В, базовый ток Q2 ограничивается резистором R1 примерно до 1 мА, и он включается. Ток коллектора будет ограничен до 2 мА сопротивлением R2 и Ib Q1. V1 будет около 0 В (Vce sat). Базовый ток Q1 снова будет ограничен резистором R3 примерно до 1 мА. Q1 будет включен, а R5 и R6 установят Ic на уровне около 3 мА и сформируют делитель напряжения, определяющий V2, напряжение затвора M1, на уровне 6,5 В. Допуская номинальное напряжение 3 В для Vgs, V3 будет 3,5 В, и, следовательно, R4 будет определять ток, около 1 А, который протекает через светодиод. Обратите внимание, что R4 должен быть резистором большой мощности, при постоянной нагрузке он будет рассеивать 3,6 Вт. Это будет уменьшено рабочим циклом. Но ожидайте волшебного дыма, если вы будете постоянно включать светодиод с компонентом меньшей мощности!

Оптопара на самом деле не нужна, сначала я подумал, что некоторая изоляция будет хорошей, так как я буду переключать относительно высокие напряжения. Я не знаю никакой другой формы усиления мощности, кроме транзисторного MOSFET. Схемы с лучшей схемой, которую я смог придумать, и добавлены результаты моделирования для тока светодиода. Я смог получить несколько приемлемых импульсов 15 мкс, настроив резисторы в цепи, но на самом деле, будет ли это работать так? Я также не публиковал другие результаты, но токи и рассеиваемая мощность были ниже пределов для каждого компонента.
Да, как я понял позже, проблема была в VGS IRF1405. Я также нашел в Интернете ту перевернутую конфигурацию, которую вы предложили. Но если arduino каким-то образом задержит вывод высокого уровня на выходе при запуске или транзистор выйдет из строя, это включит MOSFET гораздо дольше, чем короткий импульс. Я также планирую перегрузить светодиод позже, возможно, до 10-100-кратного номинального тока, поэтому я думаю, что оставить светодиод включенным более чем на несколько микросекунд было бы катастрофическим. Вот почему я хочу, чтобы переключатель MOSFET был в нормально закрытой конфигурации.
@ÖmerGezer Тогда вы, вероятно, могли бы позволить себе 2 инвертирующих каскада (2 X 2N2222), чтобы получить сигнал «правильно». Все виды возможностей представляют себя с этой установкой. Например, управляйте 2N2222 от Arduino, 2N2907 (PNP-эквивалент 2N2222) в качестве второй ступени инвертора с обоими транзисторами, работающими от 30 В постоянного тока, и соответствующим образом выбранными резисторами для ограничения токов базы и коллектора и напряжения возбуждения (VGS).
Это также имеет смысл, в настоящее время у меня есть, казалось бы, рабочая конфигурация, которую я разместил в качестве ответа ниже, но я также буду помнить о двойном инверторе. Спасибо!
«у него hfe> 50, поэтому базовый ток в 1 мА намного больше, чем потребуется для его насыщения». Нет. Насыщенность отличается низким коэффициентом усиления. Общее эмпирическое правило для перевода транзистора в состояние насыщения состоит в том, чтобы принять коэффициент усиления от 10 до 20, причем 10 является более распространенным и консервативным предположением.
@WhatRoughBeast Пункт принят, но вы заметите, что я ищу только коэффициент усиления по току 5 (база 1 мА, коллектор 5 мА) и аналогичные требования к коэффициенту усиления по низкому току в конструкции «обратная сторона конверта». Я полагаю, что я проделывал подобные схемы так много раз в прошлом, что делаю это подсознательно.
Почему R4 ниже M1? Это увеличит напряжение привода, необходимое для преодоления Vgs + I*R4.
@winny Как я уже сказал, «V3 будет 3,5 В, и поэтому R4 будет определять ток, около 1 А, который протекает через светодиод». Без R4 нет ничего, что ограничивало бы ток через светодиод, кроме возможностей источника питания. Это в основном превращает M1 в переключаемый источник постоянного тока. Вам всегда нужно каким-то образом ограничивать ток через светодиод, и, следовательно, напряжение источника питания должно быть больше, чем прямое падение напряжения светодиода.
Извините, пропустил эту часть. Все хорошо.

Драйвер стробоскопа светодиода с таким уровнем мощности требует значительного внимания к управлению током в течение периода импульса, чтобы избежать подгорания светодиода, а также к быстрому времени восстановления после импульса. Ни один из атрибутов не относится к области аудиоусилителя, который по своей природе будет иметь ограниченную полосу пропускания, поэтому будет плохо работать в обоих случаях.

Драйвер типа переключателя, который вы создаете, — это начало. Но ваш водитель не так хорошо контролируется. Он не может использовать преимущества точного импульсного управления светодиодом на высоких уровнях для достижения максимальной яркости.

Я нашел пару микросхем, которые могут это сделать. Я не рекомендую какой-то конкретный продукт, а показываю их как примеры системных решений для данного класса задач.

IC № 1: решение Linear Technology (теперь ADI) для импульсного светодиода 3A, предназначенного для машинного зрения. https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/led-driver-for-high-power-machine-vision-flash.html (сайт данных: https://www.analog.com/media/ en/technical-documentation/data-sheets/LT3932-3932-1.pdf )

Это устройство будет генерировать импульсы размером до нескольких микросекунд, если вам нужна такая короткая вспышка.

IC №2: Вот аналогичный эталонный проект от TI: http://www.ti.com/tool/TIDA-01081

Такая микросхема для конкретного приложения была бы идеальной для использования, но я не могу найти ни одного поставщика в моей стране, у которого были бы эти продукты на складе. Я бы предпочел выполнять работу с общедоступными компонентами.
@ÖmerGezer "Я не могу найти ни одного поставщика в моей стране, у которого есть эти продукты на складе" Ерунда! LT3932 имеется на складах компаний Mouser и Digikey, и обе они доставляются по всему миру. Эвалборд тоже.
@winny, они доставляют по всему миру, да, но зачем ждать 2 недели, если это можно сделать с помощью компонентов, которые я могу получить в магазинах, в которые я могу просто зайти? Кроме того, будучи любителем, использование дискретных компонентов помогло бы мне лучше понять основы.
Вы получите его за ночь или максимум через два дня. Вы в школе, тогда да, во что бы то ни стало. Если вы работаете в компании, время имеет решающее значение.

Изучив немного больше и попытавшись улучшить схему переключателя MOSFET, я понял, что MOSFET, который я использовал ранее (серия IRF), не может правильно переключаться при 5 вольтах, поступающих от транзистора. Итак, я нашел модель spice для IRL540, заменил ее на IRF. А также вместо подтягивающего резистора я добавил PNP-транзистор, чтобы достаточно быстро подтянуть затвор MOSFET. Теперь я могу легко получить импульсы 0,5 мкс на светодиодном модуле в соответствии с моделированием.

Я мог бы открыть еще один вопрос, связанный с этим переключателем MOSFET, управляемым мостом NPN / PNP, если что-то пойдет не так в физической схеме.

Спасибо вам всем!

введите описание изображения здесь введите описание изображения здесь

Могу ли я стробоскопировать светодиод с усилителем мощности звука?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v