Steuerspannung mit Transistor

4 LEDs in Reihe, die jeweils 3 V abfallen, funktionieren mit einer 12-V-Quelle nicht gut. Die LEDs verbrauchen die gesamte Spannung, sodass kein Schalter mehr herunterfällt oder ein Mechanismus vorhanden ist, um sicherzustellen, dass der Strom angemessen reguliert wird.

Die "12V"-Batterie variiert je nach Temperatur und Ladezustand etwas. LEDs haben eine steile Stromkurve als Funktion der Spannung, sodass eine kleine Änderung der Batteriespannung eine erhebliche Änderung des LED-Stroms bewirkt.

Sie können höchstens 3 dieser LEDs in Reihe mit einer "12 V"-Batterie betreiben. Das gibt Ihnen ungefähr 3 V bei Nennspannung für alles, was den Stromabfall reguliert. Hier ist eine einfache Schaltung für eine einzelne Kette von 3 LEDs, die von einem 5-V-Digitalausgang gesteuert werden:

Dadurch wird Q1 zu einer Stromsenke, die weitgehend unabhängig von der tatsächlichen Batteriespannung ist. Sie sagen, Ihre LEDs benötigen 250 mW bei 3 V. Das bedeutet, dass der Strom durch sie 83 mA beträgt. In dieser Schaltung versuchen wir, den Emitter auf 1 V zu halten, was den richtigen Strom durch R12 verursacht, wobei 98% davon oder mehr durch die LEDs fließen. Der Transistor tut dies über einen weiten Bereich der Kollektorspannung, wodurch derselbe Strom unabhängig von Batteriespannungsschwankungen aufrechterhalten wird.

R2 und R3 sind eher eine Vermutung. Sie müssen wahrscheinlich R3 anpassen, um den gewünschten LED-Strom zu erhalten. Sobald Sie jedoch den richtigen Wert für Ihren speziellen Transistor gefunden haben, sollte dies gut funktionieren. Das Problem ist, dass der Basisstrom hoch genug ist, um den R3 / R3-Spannungsteiler zu belasten, aber wir können nicht wissen, was es vorne ist, um R3 zu trimmen.

Nehmen wir an, die Transistorverstärkung beträgt 50, was das Minimum ist, auf das Sie sich verlassen können sollten. In diesem Fall beträgt der Basisstrom 1,7 mA. Als groben Start bei der Berechnung von R3 habe ich 1,5 mA Basisstrom verwendet. Stellen Sie sich den BE-Abfall bei 700 mV vor, also wollen wir die Basis auf 1,7 V halten. Das bedeutet, dass 7 mA durch R2 auf den Basisknoten fließen. Wenn die Basis 1,5 mA nimmt, verbleiben 5,5 mA für R3 zum Ziehen. (1,7 V)/(5,5 mA) = 309 Ω, also ist 300 Ω ein guter Wert, um zu beginnen und zu sehen, wo Sie sind. Ein niedrigerer Wert von R3 führt zu einem niedrigeren LED-Strom.

Beachten Sie, dass diese Schaltung davon ausgeht, dass Ihr digitaler Ausgang 7 mA bei 5 V liefern kann. Viele können das, aber das sollten Sie überprüfen.

Hinzugefügt:

Der Punkt der obigen Schaltung bestand darin, die maximale Anzahl von LEDs von einer Kette anzusteuern und die möglicherweise signifikante Schwankung der Batteriespannung zu bewältigen. Wenn Sie aufgeben und nur zwei LEDs pro String erhalten möchten, wie es einige andere Antworten getan haben, wird dies noch einfacher:

Dies verwendet die wenigsten Teile, zieht den geringsten Strom aus dem digitalen Ausgang und hält den LED-Strom dennoch einigermaßen konstant, wenn die Batteriespannung variiert. Beachten Sie, dass R1 mindestens ein 1/2-Watt-Widerstand sein muss.

Dabei wird die gleiche Strategie wie zuvor verwendet, die die Basis des Transistors mit einem festen Emitterwiderstand auf einer festen Spannung hält, um eine von der Batteriespannung weitgehend unabhängige Stromsenke zu erzeugen. Mit nur zwei anzusteuernden LEDs haben wir genug Spannung für den Transistor, um abzufallen, damit die Basis auf 5 V gehalten werden kann. Anders als bei einem Brute-Force-Common-Emitter-Schalter ist der Strom, der vom digitalen Ausgang gezogen wird, der LED-Strom geteilt durch Die Transistorverstärkung, nicht eine künstlich verringerte "erzwungene Verstärkung", regelt zusätzlich dazu aktiv den LED-Strom, wie zuvor erwähnt. Wenn Sie davon ausgehen, dass der Transistor mindestens eine Verstärkung von 50 hat, zieht dies weniger als 2 mA aus dem digitalen Ausgang.

Replizieren Sie für jedes LED-Paar, das Sie ansteuern möchten.

Sie benötigen etwas Headroom, teilen Sie also das seriell verbundene 4-LED-Array in ein Array aus zwei parallelen Strings auf, wie unten gezeigt.

R1 und R2 verbrauchen jeweils etwa ein halbes Watt, so dass es nicht schaden würde, zwei standardmäßige 150-Ohm-5%-Kohlefilm-1/2-Watt-Widerstände parallel für jede Kette zu verwenden, wobei jedes parallele Paar in Reihe mit seiner LED-Kette geschaltet ist.

Es scheint, dass Sie nur einen Schalter benötigen, um die LEDs mit einem Arduino-Pin ein- und auszuschalten, der als digitaler Ausgang eingerichtet ist. Die Bemerkung, dass ein Transistor ein Verstärker ist, scheint eine Ablenkung zu sein.

Sie können dies auf verschiedene Weise tun. Sie könnten einen MOSFET, BJT, Darlington-Transistor oder einen IC verwenden.

Der einfachste Ansatz könnte darin bestehen, einen N-Kanal-MOSFET zu verwenden:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Ihre LEDs benötigen einen Strom von:
I = 0,25 W / 3 V = 83 mA

Die LEDs sind in Reihe geschaltet, sodass durch sie alle der gleiche Strom fließt. Wählen Sie einen MOSFET, der mindestens das Zweifache oder mehr dieses Stroms verarbeiten kann, um etwas Headroom zu schaffen.

Bearbeiten:
Ein MOSFET sieht aus wie ein spannungsgesteuerter Widerstand. Sein Einschaltwiderstand heißt Rds(on). MOSFETs mit Rds(on) weit unter 0,1 Ohm sind für weniger als 1 US-Dollar erhältlich.

Der Spannungsabfall zwischen Drain und Source (Vds) eines MOSFET mit einem Einschaltwiderstand (Rds(on)) von 0,01 Ohm beträgt:

V = IR = 0,083 A * 0,1 Ohm = 0,0083 V oder 8,3 mV

Das liegt weit unter Ihrem 2V-Ziel.

Der Strom (ID) des MOSFETs sollte 200 mA oder mehr,
Vds 20 V oder mehr und
Vgs 20 V oder mehr betragen (um sicherzugehen, wenn Sie einen Verdrahtungsfehler machen).
Er muss bei 4,5 V Vgs schalten (viele schalten bei 10 V Vgs). Der einfachste Weg, um sicherzustellen, dass der MOSFET eine ausreichend niedrige Vgs hat, ist die Suche nach
Rds(on), die bei 4,5 V oder weniger angegeben werden sollte.

Der einzige wesentliche Nachteil besteht darin, dass es sich hauptsächlich um oberflächenmontierte Geräte (SMD) handelt, was unpraktisch sein kann.

Eine sehr ähnliche Schaltung funktioniert mit einem NPN-BJT, wobei an seinem Basisanschluss ein Widerstand hinzugefügt wird, um den vom Arduino-Pin gezogenen Strom zu begrenzen.

Ich neige dazu, ULN2803 zu verwenden, bei denen es sich um integrierte Schaltkreise handelt, die 8 Darlington-Transistoren enthalten. Jeder kann 150 mA schalten und hat einen eingebauten Widerstand zur Begrenzung des Basisstroms, so dass er sehr einfach zu bedienen ist. Sie werden in Dual-In-Line (DIL)-Kunststoffgehäusen (DIP) geliefert und sind daher einfach auf einem Steckbrett zu verwenden. Der Spannungsabfall an diesen Darlington-Transistoren beträgt etwa 1,3 V.

Bearbeiten:
Die "beste" Lösung würde eine Konstantstromquelle verwenden und R1 entfernen. Es würde den Strom auch bei Temperaturänderungen konstant halten. Sie könnten das aus diskreten Komponenten machen.

(Ich kann die integrierte Schaltung, die ich suche, nicht sehen.)