Транзисторы на плате светодиодной ленты

Вот схема, нарисованная в более понятной форме:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Светодиоды включены в последовательную цепочку на коллекторе$Q_1$. Это гарантирует, что токи во всех трех светодиодах идентичны, поскольку он должен протекать через каждый из них последовательно. Коллектор BJT во многом работает как «источник/приемник тока», поэтому коллектор$Q_1$будет регулировать свое напряжение в зависимости от того, что требуется для того, чтобы протекать определенный ток. Остальная часть схемы посвящена настройке этого$I_{LED}$текущий.

Чтобы добиться этого,$Q_1$нужен источник базового тока.$R_2$поставляет это.$R_2$должны быть организованы, чтобы обеспечить больше , чем необходимо, однако. Потому что если бы было меньше, все бы не работало. И если бы это было правильно , то это зависело бы от знания всех точных и точных деталей обо всех частях. Это означало бы тестирование каждого из них и их калибровку. А затем надеялись, что они не дрейфуют со временем или температурой. Итак, ток в$R_2$всегда должно быть намного больше , чтобы добавленная цепь могла обеспечить некоторый контроль и делать это независимо от изменений деталей и температуры.

Это цель$Q_2$. Поместив маломощный резистор в эмиттерную ветвь$Q_1$, весь ток светодиода теперь также должен проходить через$R_1$. Этот ток создает падение напряжения на$R_1$. Разместив$V_{BE}$из$Q_2$через это также, теперь$Q_2$теперь предоставит некоторые действия здесь.

Предположим, ток светодиода слишком велик. Это означает, что ток в$R_1$теперь вызывает падение напряжения, которое значительно превышает$V_{BE}$из$Q_2$, слишком. Что значит$Q_2$немедленно и быстро приближается к насыщению, сильно снижая напряжение на коллекторе. И это также означает тянуть вниз основание$Q_1$. Это, конечно, приводит к тому, что напряжение эмиттера$Q_1$также двигаться вниз. И это снижает ток в$R_1$вернуться к разумному значению, приносящему$Q_2$обратно в более удобное место и пресекая дальнейшие попытки стащить его коллектор вниз.

Короче говоря, это настраивает$I_{SET}=\frac{V_{BE}}{R_1}\approx 150 \:\text{mA}$. Этот ток должен исходить от$Q_1$коллекционер. Так$Q_1$регулирует напряжение коллектора по мере необходимости для достижения этой цели. И светодиоды теперь тоже испытывают этот ток.

Тем временем,$Q_2$тонет какой-то ток. Поскольку значение напряжения на базе$Q_1$является$V=2\cdot V_{BE}\approx 1.5-1.6\:\text{V}$, мы можем ожидать ток в$R_2$быть$I_{R_2}=\frac{12\:\text{V}-1.6\:\text{V}}{4.7\:\text{k}\Omega}\approx 2.2\:\text{mA}$. Если$\beta$из$Q_1$можно рассчитывать как минимум$\beta=100$то это значит примерно$1.5\:\text{mA}$уходит в основу$Q_1$, оставив около$700\:\mu\text{A}$для коллекционера$Q_2$.

Когда я вижу это прямо сейчас, я чувствую, что это может показаться немного застенчивым для$Q_2$ток коллектора. Но, возможно, они рассматривали здесь рассеяние и мощность (см. также добавленное примечание ниже).$Q_1$) может иметь некоторый смысл в этом контексте. До тех пор, пока здесь достаточно лишнего, чтобы$Q_2$всегда будет работать хорошо, независимо от того, какие конкретные BJT применяются.

По-прежнему существует риск того, что из всех запчастей, которые они покупают,$\beta \ge 100$для$Q_1$. В такой схеме я, вероятно, хотел бы увидеть анализ всех разумных вариантов$\beta$и$I_{SAT}$для биполярных транзисторов, а затем провести моделирование в широком диапазоне температур окружающей среды и рабочих температур. Сами светодиоды также испытывают колебания собственного падения напряжения при изменении температуры, как и BJT. А это может означать увеличение$V_{CE}$для$Q_1$, что приводит к большему рассеянию с$Q_1$, смещая его фактически со светодиодов на$Q_1$. Все пограничные случаи должны быть рассмотрены.

В частности, BC847, вероятно, не очень хороший выбор. Если вы посмотрите на$\beta$кривые для него, он в значительной степени начинает постукивать выше нескольких десятков миллиампер. К тому времени, когда вы доберетесь до$150\:\text{mA}$, типичные кривые показывают, возможно,$\beta=50$или немного меньше (перегрев). Изменение деталей будет означать, что вы, вероятно, не можете рассчитывать на большее, чем$\beta=35$или так, при этих токах.

И это проблема. Потому что тогда$R_2$будет ограничением, и токи светодиода, вероятно, будут ограничены примерно$80\:\text{mA}$в некоторых случаях. Кроме того, тогда$Q_2$ничего не делает. Так что контроля больше нет.

Так что это заставляет меня думать, что$Q_2$есть ли еще защита от перегрузки по току в тех случаях, когда они получают «хорошие» BC847 со слишком большим$\beta$и что им все равно. Что-то вроде безопасности, а не контроля. Ну что ж.

Помимо приведенного выше вопроса о конструкции, температура, вероятно, является основной проблемой для такой схемы. $V_{BE}$BJT будет варьироваться, теряя около$2\:\text{mV}$на каждый градус Цельсия повышения температуры. С этими токами вы можете быть уверены, что здесь будет много рассеяния, и, следовательно, температура возрастет.

Как$V_{BE}$снижается, ток светодиода также снижается с этой схемой. Таким образом, повышение температуры будет иметь эффект уменьшения тока и, следовательно, также рассеивания. В этом приложении, где прецизионный ток не является целью, такое конкретное поведение на самом деле является хорошей идеей, потому что это означает, что схема со временем найдет баланс и успокоится. Хорошая вещь.

Ваша схема верна. Транзисторы образуют источник постоянного тока.

Википедия перечисляет схему в своей статье «Источник тока» в разделе «Источник постоянного тока с тепловой компенсацией».