Ansteuerung von PWM-Leuchten mit parallelen Darlington-Arrays

Ich bin mir nicht sicher, wie Sie 200 W berechnet haben, aber der ULN2803 kann das nicht annähernd. Wir können es jedoch aus den Wärmewiderstandswerten der Datenblätter errechnen - das Datenblatt gibt für das SOIC-Paket einen Wert von 73,14 ° C / W an. Unter der Annahme einer maximalen Betriebstemperatur von 125 °C und einer maximalen Umgebungstemperatur von 70 °C ergibt dies (125 - 70) / 73,14 = 0,75 W.

Um zu berechnen, wie viel Leistung der Chip bei einem bestimmten Strom verbraucht, betrachten wir die Sättigungsspannung für die Ausgänge. Wenn wir den Ic-Wert von 350 mA auswählen, sehen wir, dass er bis zu 1,6 V betragen kann. Die Verlustleistung beträgt also 0,35 * 1,6 = 0,56 W, was ziemlich nahe an der Paketgrenze liegt. Bei 500 mA Dauerbetrieb benötigen wir einen Kühlkörper, um eine maximale Umgebungstemperatur von 70 °C zu erreichen.

Sie sagen nicht, ob die 700 mA für jede LED-Kette oder für die insgesamt 4 Arrays gelten. So oder so ist es jedoch keine gute Idee, die ULN2803 parallel zu schalten. Die Darlingtons haben eine hohe Sättigungsspannung und Bipolartransistoren sind aufgrund der Möglichkeit des thermischen Durchgehens nicht gut parallel. BEARBEITEN - Das Obige gilt für separate ICs. Wenn Sie Paare aus demselben ULN2803 verwenden, sagt das Datenblatt (wie m.Alin betont), dass dies in Ordnung ist (da die Transistoren gut aufeinander abgestimmt und thermisch verbunden sind). Trotzdem der Gesamtstrompegel (Ich gehe davon aus, dass 4 * 700 mA = 2,8 A) für den ULN2803 zu hoch sind.

Eine bessere Idee wäre, einige MOSFETs zu verwenden - Sie können MOSFETs mit Logikpegel erhalten, die direkt von den PWM-Ausgängen von Arduino angesteuert werden können und einen sehr niedrigen Rds und damit eine geringe Verlustleistung haben. So etwas hat einen Rds von nur 25 mΩ bei 4,5 V Gate-Ansteuerung und kann bis zu 6,7 A Drain-Strom verarbeiten. Bei 700 mA beträgt die Verlustleistung nur I ^ 2 * R = 0,7 ^ 2 * 0,025 = 12,25 mW.

BEARBEITEN - über die parallele Verwendung von diskreten Bipolartransistoren:

Aufgrund ihrer thermischen Eigenschaften (Verstärkung und Leckage steigen mit der Temperatur) und der variablen Verstärkung ist bei der Parallelschaltung von Bipolartransistoren eine Art Steuerung erforderlich. Ein Emitterwiderstand zur Bereitstellung einer negativen Rückkopplung ist ein häufig verwendetes Schema:

Wenn sich ein Transistor erwärmt und mehr Strom zieht, steigt die Spannung am Emitterwiderstand, stiehlt Spannung von Vbe und verhindert, dass Dinge davonlaufen. Sie würden den Emitterwiderstand entsprechend dem gewünschten maximalen Strom dimensionieren. Es ist auch eine gute Idee, alle Transistoren auf demselben Kühlkörper zu montieren. Im Allgemeinen sollten Sie jedoch MOSFETs verwenden, es sei denn, es gibt einen sehr guten Grund für die Verwendung von Bipolaren.

Um zu demonstrieren, was der Emitterwiderstand tut, werfen Sie einen Blick auf diese Schaltung:

Die Eingangsspannung (SIG) beträgt 1V.
Beide Transistoren sind von ähnlichem Typ, aber wir werden die Verstärkung von 50 auf 500 verschieben. Es gibt keine Emitterwiderstände (auf 1 NanoOhm eingestellt, daher ist der Effekt irrelevant). Dies ist eine sehr grobe Darstellung dessen, was passieren könnte, wenn man heißer als
wird die andere (es ist schwierig, thermische Runaway-Effekte in SPICE zu simulieren, und ich hatte nicht genug Zeit, um ein geeignetes Modell zu erstellen / zu finden, um es vorübergehend zu simulieren) Wie auch immer,
hier ist die Simulation:

Wir können sehen, dass die Kollektorströme ziemlich unterschiedlich sind (zu erwarten) und wenn der Transistor, der den höheren Strom zieht, unkontrolliert in ein thermisches Durchgehen gehen kann, da mehr Strom -> mehr Verlustleistung -> höhere Sperrschichttemperatur -> höhere Leckage / Verstärkung -> aktueller -> wiederholt...

Wenn wir nun jedem Transistor einen 10-Ω-Emitterwiderstand hinzufügen und erneut simulieren:

Wir erhalten ein ganz anderes Ergebnis, die Kollektorströme liegen innerhalb weniger mA voneinander. Der Emitterwiderstand fügt eine negative Rückkopplung hinzu und begrenzt den Kollektorstrom. Denn je höher der Kollektorstrom, desto höher der Strom durch den Emitterwiderstand und damit der Spannungsabfall am Widerstand. Mit der festen Basisspannung "stiehlt" dies Spannung vom Transistor V (Basis-Emitter), was den Basisstrom reduziert. Der Kollektorstrom des Transistors kann nur so hoch werden.

Wir können den Emitterwiderstand ziemlich einfach berechnen. Angenommen, wir wollen einen maximalen Kollektorstrom von 100 mA und die Basis-Masse-Spannung beträgt maximal 1 V. Der Basis-Emitter-Abfall beträgt vielleicht ~ 0,7 V, sodass für den Widerstand 1 V - 0,7 V = 0,3 V übrig bleiben. So:

0,3 V / 0,1 A = 3 Ω

Das Obige ist vereinfacht, sollte Ihnen aber eine Idee vermitteln. Thermische Effekte ändern verschiedene Parameter, Vbe ändert sich mit Temperatur/Strom usw. Letztendlich möchten Sie nur sicherstellen, dass der Prozess des thermischen Durchgehens nicht beginnen kann, daher ist es notwendig, die Verstärkung auf irgendeine Weise zu begrenzen. Da die Transistorverstärkung endlich ist, je niedriger der Basiswiderstand ist, desto weniger "harte" Begrenzungswirkung hat sie (dies ist jedoch für viele Anwendungen nicht allzu wichtig, solange sie das Durchgehen stoppt).

200 W im ULN2803 werden ihn so hell erstrahlen lassen, dass Sie Schatten brauchen ;-), oder, was wahrscheinlicher ist, ihn zum Explodieren bringen. Sie haben Spannung und Strom multipliziert, aber sie treten nicht gleichzeitig auf: Entweder ist der Transistor ausgeschaltet, und dann gibt es das Maximum von 50 V, aber nur einen kleinen Leckstrom, oder es gibt die 500 mA, aber dann wird die Spannung auf begrenzt Sättigungsspannung des Transistors. In beiden Fällen ist einer der Faktoren niedrig genug, um auch die Verlustleistung niedrig zu halten.

Das bedeutet jedoch nicht, dass die Verlustleistung ein vernachlässigbarer Faktor wäre. Laut Datenblatt kann die Sättigungsspannung bei 350 mA Kollektorstrom bis zu 1,6 V betragen, das sind 560 mW pro Transistor. Times 8 ist 4,5 W, viel zu viel für das Gerät; Das DIL-Gehäuse hat einen Wärmewiderstand von 62,66 ° C / W zur Umgebung, was bedeutet, dass 4,5 W die Verbindung um 280 ° C heißer als die Umgebung machen, sodass sie über 300 ° C liegt. Lass es uns vergessen.

Übrigens, warum gibt es die Sättigungsspannung für 350 mA und nicht für 500 mA an? Die 500 mA sind als Absolute Maximum Ratings (AMR) angegeben, nicht als normale Betriebsbedingungen. Auch in AMR ist festgelegt, dass der Gesamtsubstrat-Klemmenstrom niemals 2,5 A überschreiten sollte, dh der Strom für alle Ausgänge zusammengerechnet wird. 2,5 A / 8 Ausgänge = 3,1 A / Ausgang.

Das Datenblatt besagt, dass Ausgänge für höheren Strom parallel geschaltet werden können, aber ich denke, es wurde von den Marketingleuten hinzugefügt, die das Datenblatt fertigstellen, und ich wünschte, sie hätten diese Zeile weggelassen. Sie können den Strom auf diese Weise erhöhen, aber es ist keine übliche Arithmetik, wie 1 Ausgang = 350 mA, dann 2 Ausgänge = 700 mA. Der Strom ist möglicherweise nicht gleichmäßig verteilt, und selbst bei durchschnittlich 350 mA kann ein Ausgang den maximal zulässigen Strom überschreiten.

Im Allgemeinen sind BJT (Bipolar Junction Transistors) nicht sehr gut darin, hohe Ströme zu treiben: Da ist die hohe Sättigungsspannung des Darlington, die eine hohe Verlustleistung verursacht, oder Sie müssen zu viel Basisstrom liefern, wenn Sie den Darlington vermeiden möchten.

MOSFETs sind eine viel bessere Wahl. Oli hat Ihnen als Beispiel einen NXP-FET gegeben, ich werde mich oft auf den FDC855 beziehen : Bei 4,5 V Gate-Spannung haben Sie maximal 36 mΩ Einschaltwiderstand. Zugegeben, das ist mehr als Olis PMN20EN, aber darum geht es nicht; Ich kann Oli (als Redewendung, der FET wiegt nicht einmal ein Gramm) leicht mit einem 10-mΩ-FET niederschlagen. Sie können bis auf 1 mΩ gehen. Warum tun wir es dann nicht? Kosten. Ein geringerer On-Widerstand ist teurer und wir brauchen ihn nicht, wie wir aus Olis Berechnungen entnehmen können: 15 mW sind absolut vernachlässigbar.

OK, FETs sind großartig, warum brauchen wir dann BJT? Sie sind billiger und Sie müssen sich keine Gedanken über die Betriebsspannung machen; dafür hat man meistens mindestens die 0,7 V. Für FETs hingegen benötigen Sie meistens einen Gate -FET mit Logikpegel , den Sie mit 5 V oder 3,3 V von einem Mikrocontroller ansteuern können.

Schlussbemerkung: Der DMG9926USD ist ein billiger FET, weil er zwei davon in einem Paket beherbergt. 24 mΩ. Sehen Sie, es ist nicht so schwer, Olis NXP zu schlagen :-).