Ist meine Schaltungsanalyse korrekt? (DC, LED, LED-Treiber, MOSFET)

Folgendes wissen wir über den Konstantstrom-Abwärtswandler:

• Es liefert einen Strom von genau 700 mA von seiner Ausgangsseite durch die angeschlossene Last$^+V_{OUT}$Und$^-V_{OUT}$.

• Es wird mit einer konstanten Spannung von 24V versorgt.

• Es ist zu 95% effizient.

• Seine Ausgangsspannung$^+V_{OUT} - ^-V_{OUT}$kann alles zwischen 0V und sein$V_{IN} - 3V$, oder 0V bis 21V.

Da der Wirkungsgrad E das Verhältnis von Eingangsleistung zu Ausgangsleistung ist, können wir diese Beziehung darstellen als:

$$P_{OUT} = E \times P_{IN}$$

Anwendung des Potenzgesetzes$P = I \times V$, und wenn wir das einsetzen, was wir wissen, erhalten wir folgende Formel:

$$\begin{aligned} I_{OUT} \times (^+V_{OUT} - ^-V_{OUT}) &= E \times I_{IN} \times V_{IN} \\ \\ 700mA \times (^+V_{OUT} - ^-V_{OUT}) &= \frac{95}{100} \times I_{IN} \times 24V \end{aligned}$$

Beachte das$+V_{OUT}$Und$-V_{OUT}$sind an dieser Stelle noch nicht bekannt, da wir die Belastung noch nicht berücksichtigt haben:

1. Wir wissen noch nicht, welche Werte sie zueinander haben (die potenzielle Differenz zwischen ihnen) und

2. Wichtig ist, dass wir nicht einmal wissen, welche Werte sie in Bezug auf 0 V (Masse) auf der Eingangsseite haben. Sie können vollständig vom Eingang getrennt sein, Informationen, die Sie dem Datenblatt des Treibers entnehmen müssen.

Punkt (1) ergibt sich aus der Tatsache, dass jede Konstantstromquelle ihre Ausgangsspannung anpasst, um den erforderlichen Strom (in diesem Fall 700 mA) aufrechtzuerhalten, und dies ist die Spannung, die die Last entwickelt, wenn sie diesen Strom durchlässt.

Für Ihre LED scheinen das 17 V zu sein, die steigen, wenn die Temperatur der LED sinkt, und umgekehrt. Wie stark diese Spannung mit der Temperatur ansteigt und abfällt, ist ein Parameter, den Sie dem Datenblatt der LED entnehmen können. Solange die Durchlassspannung Ihrer LED niemals 21 V überschreitet, funktioniert dieses Gerät einwandfrei und der Zustand$I_{OUT}=700mA$wird beibehalten.

Ab sofort statt zu schreiben$(^+V_{OUT} - ^-V_{OUT})$, ich werde diesen Unterschied einfach als bezeichnen$V_{OUT}$

Mit einem Wert von$V_{OUT}=17V$, können wir zu den zurückkehren$P_{IN}$vs.$P_{OUT}$Beziehung, um die letzte Unbekannte zu finden$I_{IN}$:

$$\begin{aligned} I_{OUT} \times V_{OUT} &= E \times I_{IN} \times V_{IN} \\ \\ 700mA \times 17V &= \frac{95}{100} \times I_{IN} \times 24V \\ \\ I_{IN} &= \frac{\frac{100}{95} \times 700mA \times 17V}{24V} \\ \\ &= 0.52A \end{aligned}$$

Jetzt haben wir alle notwendigen Informationen, um die Eingangsleistung zu berechnen$P_{IN}$und Ausgangsleistung$P_{OUT}$(an die LED gelieferte Leistung).

$$\begin{aligned} P_{IN} &= I_{IN} \times V_{IN} \\ \\ &= 0.52A \times 24V = \\ \\ &= 12.5W \end{aligned}$$

$$\begin{aligned} P_{OUT} &= I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ &= 700mA \times 17V = \\ \\ &= 11.9W \end{aligned}$$

Ihr Unterschied wird die Macht sein$P_{DRV}$wird in der Treibereinheit verschwendet:

$$\begin{aligned} P_{DRV} &= P_{IN} - P_{OUT} \\ \\ &= 12.5W - 11.9W \\ \\ &= 0.6W \end{aligned}$$

All dies dient dazu, die Beziehungen zu veranschaulichen und wie sie zum Verhalten eines DC-DC-Wandlers passen. Es ist jedoch langatmig und hätte auf ein sehr einfaches reduziert werden können:

$$\begin{aligned} P_{DRV} &= P_{IN} - P_{OUT} \\ \\ &= \frac{1}{95\%} \times P_{OUT} - P_{OUT} \\ \\ &= (\frac{1}{95\%} - 1) \times P_{OUT} \\ \\ &= (\frac{1}{95\%} - 1) \times I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ &= (\frac{1}{95\%} - 1) \times 700mA \times 17V \\ \\ &= 0.6W \end{aligned}$$

Ich werde die LED- und Treiberleistungsgleichungen hier umschreiben, um meinen nächsten Punkt zu veranschaulichen:

$$\begin{aligned} P_{LED} &= I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ P_{DRV} &= (\frac{1}{E} - 1) \times I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ \end{aligned}$$

Da LED-Strom$I_{OUT}$konstant ist und unter der Annahme, dass der Wirkungsgrad ebenfalls konstant bleibt (vernachlässigbare Änderung über den gesamten Bereich der Betriebsbedingungen), können Sie sehen, dass die Verlustleistung in jedem Element eine Funktion von ist$V_{OUT}$nur. Um die Verlustleistung im schlimmsten Fall im Treiber und in der LED zu finden, müssen Sie daher den Wert für den schlimmsten Fall finden$V_{OUT}$.

In beiden Fällen ist die maximale Leistung, wenn$V_{OUT}$ist maximal, und wie ich bereits sagte, müssen Sie sich auf das Datenblatt Ihrer LED beziehen, um herauszufinden, was dies sein wird. Es tritt bei der niedrigsten Temperatur auf, die Sie von Ihrer LED erwarten.

Ich glaube nicht, dass Sie sich Sorgen machen müssen, dass die Treiberleistung über den gesamten LED-Betriebstemperaturbereich sehr stark ansteigt. In dem schrecklichen Fall, in dem die gesamte LED-Durchlassspannung auf 21 V ansteigt, wäre das Maximum, das Ihr Konverter liefern kann, die Verlustleistung im Treiber und in der LED:

$$\begin{aligned} P_{LED} &= I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ &= 700mA \times 21V \\ \\ &= 14.7W \end{aligned}$$

Und

$$\begin{aligned} P_{DRV} &= (\frac{1}{E} - 1) \times I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ &= (\frac{1}{0.95} - 1) \times 700mA \times 21V \\ \\ &= 0.77W \end{aligned}$$

Was Ihren Hinweis auf einen MOSFET betrifft, so kann ich Ihrer Frage nicht entnehmen, von welchem ​​​​MOSFET Sie sprechen. Ich nehme an, Sie meinen, dass Sie die LED mit einem externen Transistor ein- oder ausschalten möchten. Hier meine Gedanken dazu:

• Warum tun Sie das, wenn Sie einen digitalen Ein/Aus-Eingang am Treiber haben?

• Da ich nicht weiß ob$^+V_{OUT}$Und$^-V_{OUT}$isoliert sind, oder mit anderen Worten, wenn es eine gemeinsame Basis gibt und auf welcher Seite sie sich befindet, ist die Praktikabilität fraglich.

• Seien Sie sich also sehr sicher, wie sich Ihr Treiber verhält, wenn die Last auf diese Weise an- und abgeschaltet wird. Es könnte sogar entmutigt werden. Auch hier ist das Datenblatt Ihr Freund.

Wenn ich 5 V an das Gate des MOSFET anlege, hat es einen RDSon von 25 mOhm ( https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/BUK9Y29-40E.pdf ). Da die Spannung am MOSFET V = IR beträgt, fällt V = (0,7 A) (0,025 Ohm) = 0,0175 V am MOSFET ab.

Brauchst du überhaupt einen MOSFET? Der Treiber hat eine Ein/Aus-Steuerung. Anstatt die Stromversorgung des Treibers zu unterbrechen, könnten Sie ihn einfach ausschalten.

An Punkt B im Schaltplan beträgt die Spannung (wenn der MOSFET eingeschaltet ist) 24 V - 3 V = 20 V.

Das Datenblatt sagt nichts aus, aber wahrscheinlich handelt es sich um einen isolierten Treiber, sodass zwischen Versorgung / Masse und dem Stromtreiber kein Gleichstrompfad besteht. Daher können Sie nicht sagen, wie hoch die Spannung am Treiber relativ zum Eingang ist. Da die Spannung schwebend ist, könnte sie 0, -24, +50 oder einen beliebigen anderen Wert relativ zur Masse betragen.

Letztendlich erhält meine LED also 20 V bei 0,7 A Strom. Die Durchlassspannung der LED beträgt 17,2 V, also beträgt die Spannung an Punkt C in meiner Schaltung 20 - 17,2 = 2,8 V. Es bleiben also tatsächlich 2,8 V übrig oder sozusagen ungenutzte Spannung?

Ich glaube, Sie missverstehen die Bedeutung von Konstantstrom. Konstantstromquellen wie LED-Treiber sind so konzipiert, dass sie den Strom durch den Diodenübergang erfassen und die Spannung anpassen, um den eingestellten Strom zu treiben. Wenn Ihre LED in diesem Fall eine Vf von 17,2 V bei 700 mA hat und Sie den Treiber auf 700 mA einstellen, beträgt die Spannung an der Diode (nicht relativ zur Masse) fast 17,2 V. Wenn sich die Diode erwärmt und die Durchlassspannung abfällt, senkt der Treiber die Spannung, um dies zu kompensieren, sodass der Strom konstant gehalten wird.

Ich bin verwirrt darüber, wie ich die vom LED-Treiber abgegebene Leistung / Wärme bestimmen kann. Wenn der Spannungsabfall über dem LED-Treiber 3 V beträgt und 0,7 A Strom fließt, dann ist P = P = VI = (3) (0,7) = 2,1 W.

Sie analysieren dies so, als wäre es ein Linearregler (im Grunde ein Widerstand), aber dies ist ein Abwärtswandler, sodass die Eingangsspannung / der Eingangsstrom transformiert wird. Der Spannungsabfall über dem Treiber ist das, was Sie liefern (24 V). Der Strom durch ihn hängt von der Last ab.

Aber das Datenblatt gibt auch an, dass der Wirkungsgrad des LED-Treibers 95 % beträgt. Bedeutet das 95% der gesamten Lastleistung? In diesem Fall verbraucht die Last (LED) P = VI = (17,2)(0,7) = 12 W, also werden 5 % davon vom LED-Treiber als Wärme abgeführt, was 12 * 0,05 = 0,602 W wäre.

Das bedeutet, dass 95 % der vom Fahrer verbrauchten Leistung an die Last geliefert werden. Wenn also die Last mit 10 W versorgt wird, muss der Treiber mit 10/0,95 = 10,5 W versorgt werden. Daher wird 0,5 dissipiert. Es ist unwahrscheinlich, dass Sie einen LED-Treiber bei so niedrigen Leistungspegeln kühlen müssen.

Die LED hat, wie ich bereits erwähnt habe, eine Durchlassspannung von 17,2 V und einen Strom von 700 mA bei einer Testtemperatur von 85 ° C. Soweit ich weiß, wenn ich einen ausreichenden Kühlkörper verwende, um die LED-Temperatur bei oder unter 85 ° C zu halten C, dann gilt die obige Analyse und die Durchlassspannung wird bei etwa 17,2 V gehalten.

Wenn die Durchlassspannung auf 85 ° C festgelegt ist und Sie beabsichtigen, sie kühler zu betreiben, müssen Sie tatsächlich mehr Spannung liefern. Glücklicherweise beträgt das Maximum, das Ihr Treiber liefern kann, 21 V, sodass Sie etwas Spannung übrig haben.