Wird ein Stromspiegel ein thermisches Durchgehen dieser LEDs parallel verhindern?

Stromspiegel sorgt für gleichmäßigen Stromfluss beider LEDs

Die Quelle ist ein Konstantstrom-LED-Treiber. Ich stellte fest, dass das Parallelschalten der LEDs ein thermisches Durchgehen verursachte, wobei eine LED fast den gesamten Strom verbrauchte, wobei ihre Temperatur ständig zunahm, und die andere LED mit kaum Stromfluss abschaltete und sich abkühlte. Ich weiß, dass die LED im thermischen Durchgehen schließlich zerstört würde, wenn sie fortgesetzt werden dürfte, und dies dazu führen würde, dass die zweite LED den gesamten Strom verbraucht und sie beschädigt.

Wird das Verbinden der parallelen Zweige mit einem Stromspiegel dieses Problem lösen? Nach meinem Verständnis wird der Strom im Spiegel in Q1 aufgebaut und in Q2 (und allen weiteren Zweigen) gespiegelt. Wenn daher der in Q1 fließende Strom ansteigen würde, würde er auch in den gespiegelten Zweigen ansteigen.

Verhindert dies jedoch, dass der Strom in Q1 ansteigt, da es von einer Konstantstromquelle versorgt wird?

Wenn ich einen dritten Zweig anschließe, liefert diese Lösung immer noch den gleichen Strom für alle Zweige?

Wie Neil betont, haben Stromspiegel eine „Master-Slave“-Beziehung. Es verhindert das Durchgehen von nur einer LED. Wenn möglich, setzen Sie die LEDs i-Serie.
Diese genaue Anordnung wird in einigen Telefondisplays verwendet, bei denen mehrere Reihen von Hintergrundbeleuchtungs-LEDs vorhanden sind. Die Kollektorspannung ist so angeordnet, dass sie etwa 1 V an Q1 beträgt.
Konstantstrom-LED-Treiber verwenden jedoch nicht einen der Strings als Master-Transistor, sondern einen separaten, der beispielsweise über einen Widerstand vorgespannt wird. dann verwenden alle Saiten jeweils einen Slave-Transistor, der den Strom des Masters widerspiegelt (normalerweise mit einer festen Verstärkung).

Antworten (4)

Ein Stromspiegel kann den Ausgangsstrom nur steuern, wenn er über den dafür erforderlichen Spannungsspielraum (Compliance) verfügt.

Wenn D2 einen niedrigeren Spannungsabfall aufweist und versucht, den Strom zu hacken, reduziert Q2 seinen Strom durch Stromspiegelwirkung.

Wenn D1 den Strom in Beschlag nimmt, kann Q2 den Strom nicht auf einen höheren Abfall D2 erhöhen, es liegt außerhalb der Konformitätsspannung.

Es gibt mehrere mögliche Lösungen. Ich bin nicht davon überzeugt, dass die erste und zweite Version gegenüber der sehr einfachen dritten Version genügend Energieeffizienz und Leistungsverbesserung bieten, um ihre zusätzliche Komplexität wert zu sein. Sie müssten sie sorgfältig mit thermischen und LED-Fehlanpassungen simulieren, um zu sehen, welche für Sie am besten geeignet ist.

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Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Bei der ersten Option versuchen wir, die Asymmetrie des aktuellen Spiegels, den Sie gezeigt haben, zu vermeiden. R1 und R2 können ziemlich niedrige Werte haben. R11 und R12 können Null sein, in diesem Fall verlassen wir uns auf die VBE-Anpassung und die aktuelle Temperaturanpassung der beiden Transistoren. Oder R11 und R12 können endlich sein, was das Problem der Transistorfehlanpassung beseitigt, sobald sie einige hundert Millivolt abfallen. Diese Anordnung hat einen minimalen Spannungsabfall von VBE und dann etwas für die Widerstände.

In der nächsten (nicht gut durchdachten) Option verwenden wir einen niedrigen Strom, der durch R3 (wenn spannungsgesteuert) oder D13 + R23 (wenn stromgesteuert) definiert ist, um zwei identische größere Ströme in den beiden LEDs zu steuern. Wir brauchen endliche Werte für R13 bis R15, um die Stromvervielfachung zu bewirken, wobei mindestens einige hundert Millivolt abfallen. Wir können diese nur auf Null setzen, wenn wir die Transistorbereiche verhältnismäßig anpassen und ihre Temperaturen anpassen, was bei diskreten Geräten nicht wirklich praktikabel ist, bei monolithischen ICs jedoch häufig durchgeführt wird. Dank SimonFitch in den Kommentaren wird der minimale Spannungsabfall bei dieser Anordnung Q4/5 VCEsat + Widerstände sein (nicht wie ich zuerst VBE + Widerstände vorgeschlagen habe). Wir haben auch etwas "verschwendeten" Strom durch R3. Ob diese niedrige Spannung in der Praxis zuverlässig erreicht werden kann, hängt jedoch von der Anpassung der Aussteuerung an die Komponenten ab.

In der dritten und einfachsten Option sagen wir, dass, wenn die Optionen eins und zwei sowieso einen Spannungsabfall erleiden, wir die Transistoren ganz vergessen und einfach mehrere hundert Millivolt über dumme Widerstände fallen lassen, was, wenn die LEDs aus derselben Charge stammen, und in derselben thermischen Umgebung führt zu einer angemessenen Stromanpassung.

Die vierte Option mit der besten Leistung und dem besten Wirkungsgrad besteht darin, einen Stromtreiber pro LED zu verwenden. Kein verschwendeter Spannungs-Headroom, ideale Kontrolle beider LED-Ströme.

Wird es im zweiten Fall unbedingt "mindestens einen Vbe-Abfall" vom Kollektor zur Masse geben? Ich habe den Eindruck, dass es ein paar hundert Millivolt vom Kollektor zum Emitter geben wird, wenn sie fast gesättigt sind, und dann müssen Sie auch den Abfall des Emitterwiderstands hinzufügen, aber diese Summe kann weniger als Vbe sein.
@SimonFitch Gut erkannt. Q3 ist 'geringste VBE', aber Q4/5 nicht. Ich werde aktualisieren.

Ja, das geht prinzipiell.

In der Praxis mit diskreten NPN-Transistoren ist dies möglicherweise nicht sehr genau - die NPNs passen nicht sehr gut zusammen und führen selbst bei derselben VBE nicht unbedingt gleiche Ströme.

Sie können dies abmildern, indem Sie mit jedem Emitter kleine Widerstände in Reihe schalten - genug, um etwa 100 mV beim LED-Betriebsstrom abzufallen, wird erheblich helfen.

Bei 500 mA wie gezeigt wäre also R = 100 mV/500 mA = 0,2 Ω (also 0,22 Ω verwenden) geeignet.

Ihre Schaltung hat in jedem NPN eine nahezu identische Verlustleistung (ca. 0,7 V * 500 mA = 350 mW), sodass Sie aufgrund thermischer Unterschiede keine große Drift haben, aber es wäre immer noch am besten, die NPNs thermisch miteinander zu koppeln.

Es gibt auch einen kleinen Fehler wegen der endlichen Verstärkung (Beta) der NPNs; bei einem Beta von 100 führt dies zu einer Stromfehlanpassung von 2 %, die bei dieser Art von Anwendung vernachlässigbar ist.

Entschuldigung, aber ich glaube, das ist falsch. Lesen Sie Neils Antwort sorgfältig durch. Wenn D1 wegläuft, wird dieser Spiegel das nicht aufhalten . Stattdessen fordert es D2 auf, den gleichen höheren Strom zu ziehen, den es aufgrund fehlender Versorgungsspannung nicht kann, sodass D1 weiter ansteigt und D2 schrumpft. Dieser Spiegel lässt D2 jedoch nicht weglaufen
Je mehr ich darüber nachdenke, desto weniger verstehe ich es. Zuerst fand ich diese Antwort gut, und der Kommentar von @tobalt hat mich überrascht, aber ich neige dazu, tobalt jetzt zuzustimmen. Ich denke immer mehr, dass der einzige Weg, den negativen Spannungstempco der LED zu bekämpfen, ein Vorwiderstand ist, der ihn auf der Kollektorseite überkompensiert, wodurch die gesamte Stromspiegellösung überflüssig wird. Könnte auch nur zwei Vorwiderstände haben, einen für jede LED, und auf alles andere verzichten, oder eine unabhängige Stromquelle für jede LED.
Und jetzt bin ich wieder zurückgekehrt. Ich sehe, dass es funktionieren kann, weil die Stromquelle ihre Compliance-Spannung auf das ändert, was zur Aufrechterhaltung von 1 A erforderlich ist, und selbst eine Mikrovolt-Änderung von Vce eines der beiden Transistoren die Quelle dazu veranlasst, den Headroom zu kompensieren und bereitzustellen, den jeder Transistor zum Ausgleichen benötigt Dinge. Ich gehe davon aus, dass ich meine Meinung in etwa einer Stunde wieder ändern werde. Bis dann.
Es ist nicht so, dass eine einzelne LED wegläuft, wohl aber 2 LEDs parallel. Die einfache Spiegelschaltung hält den Strom von D2 nahe dem von D1, selbst wenn D2 einen zusätzlichen Abfall von einigen 100 mV aufweist. Da die Ströme ungefähr gleich sind, wird der Eingangskonstantenstrom gleichmäßig zwischen den 2 LEDs aufgeteilt.
Nun @ jp314 Ich denke, man kann den Streit mit einem schnellen Spice-Run beilegen. Auch mit voll angepassten Transistoren. Wenn D1 eine blaue LED und D2 eine rote LED ist, wird der Strom auf jeweils 0,5 A aufgeteilt. Bei D1 Rot und D2 Blau wird der Großteil des Stroms jedoch durch D1 = Durchgehen fließen. Ich habe dieses Argument unten in eine eigene Antwort aufgeteilt.
@SimonFitch Die Compliance-Spannung einer Stromquelle ist die Quellenspannung abzüglich des Headroom der Stromquelle (in diesem Fall die Sättigungsspannung des Transistors). Nichts, was die aktuelle Quelle tun kann, wird es ändern; Ich denke, Sie verwechseln die Compliance-Spannung mit einer einfachen Spannung.
@Hearth Dieses Problem hat so viele Variablen. Es gibt eine feste Stromquelle, eine negative Tempco-Impedanz in jedem Pfad, die sich auf ein Integral der Leistung mit der Zeit beläuft, eine Compliance-Spannung, die zwischen zwei möglicherweise nicht übereinstimmenden variablen Senken geteilt wird, die um einen Teil davon konkurrieren. Das durch diesen Kreislauf hergestellte Gleichgewicht ist eine sehr nicht triviale Funktion all dieser Dinge. Ich verstehe die Compliance-Spannung, die ich gerade durch Brain-Limit gefunden habe, das ist alles.
Die ursprüngliche Schaltung funktioniert, solange Q2 nicht in tiefer Sättigung ist. Das bedeutet, dass der VF von D2 nicht mehr als ein paar 100 mV höher sein darf als der von D1. Wenn es niedriger als D1 wird, beginnt Q2, mehr Leistung zu verbrauchen.

Ich poste diese Antwort, um eine lange Diskussion in den Kommentaren beizulegen.

Der Spiegel funktioniert nicht, wie zB Neil_UK schön erklärt hat. Der Grund dafür ist, dass aktuelle Spiegel nach dem Master-Slave-Prinzip arbeiten. Sie benötigen also entweder einen dritten Baum, um als Master zu laufen, oder sie schützen nur eine LED vor dem Durchgehen.

Das lässt sich gut mit spice simulieren:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Obwohl die Transistoren vollständig angepasst sind, sind die Dioden nicht, was durch die parallele Verwendung einer ROTEN und einer BLAUEN LED simuliert wird.

Im linken Beispiel wird der Strom gut zwischen D1 und D2 aufgeteilt (505 bzw. 495 mA). Im rechten Beispiel nimmt D3 jedoch 998 mA des Gesamtstroms von 1 A außer Kontrolle.

Glauben Sie, dass die erste (ganz links) Lösung von @Neil_UK dieses Ungleichgewicht angeht? Ich glaube, diese Basiswiderstände werden das Master-Slave-Problem perfekt bewältigen, und die Emitterwiderstände werden die Probleme mit der Transistorfehlanpassung in Schach halten. Dies ist ein großartiges Thema und eine großartige Frage. Ich habe mich schon lange nicht mehr so ​​intensiv mit irgendetwas beschäftigt.
Ich vermute, dass der Unterschied zwischen roten und blauen Spannungsabfällen in diesem Beispiel ausreicht, um das Ungleichgewicht bis zu einem Punkt zu verschlimmern, an dem die Bedenken von @tobalt gültig sind, aber wenn die LEDs Strings sind und die Spannungsdifferenz über den Ketten nur einen kleinen Prozentsatz davon ausmacht Gesamtspannung, würde immer noch ein ausreichend effektiver Strom dividiert durch zwei vorhanden sein, um ein Durchgehen zu vermeiden.
Mein Gedanke ist, dass, wenn die Stromregelung in einer der beiden Ketten ausreichend gut ist, dass jede Spannungsmodulation, die sie durch die Aufrechterhaltung des Stroms verursacht, signifikanter ist als die Spannungsänderungen, die aufgrund der Temperatur der Kette auftreten, kein Durchgehen auftritt. Mit anderen Worten, die Stromregelung muss nicht perfekt sein, nur besser als die eigene Tendenz der LED, ihre Durchlassspannung mit der Temperatur zu erhöhen.
@SimonFitch das Problem tritt auch bei kleinen Vf-Unterschieden auf. Das ist der springende Punkt bei „Ausreißer“. Emitterwiderstände werden den Ausreißer tatsächlich binden. Aber wie Neil schreibt: Die Widerstände funktionieren auch ohne Transistor, was zu seiner dritten Lösung führt. Der aktuelle Spiegel macht so gut wie nichts

Ich habe jetzt viele Stunden darüber nachgedacht, und ich kann nichts widersprechen, was irgendjemand hier gesagt hat, weil die Argumente alle solide sind. Die größte Frage bleibt also: Beseitigt die Schaltung von OP (@MRB) thermisches Durchgehen in einer der LEDs?

Ich musste es mit CircuitLab simulieren, was ich für zwei Fälle tat. Der ursprüngliche, unausgeglichene Spiegel und eine ausbalancierte Version, inspiriert von den hervorragenden Vorschlägen von @Neil_UK.

Ich verwende mehrere LEDs in Reihe, um eine reale Kette zu simulieren, und ich modelliere den kombinierten Abfall der Durchlassspannung von allen (aufgrund des LED-Temperaturanstiegs) mit einer Spannungsquelle, die so angeschlossen ist, dass die Spannung der Quelle sie erhöht reduziert die kombinierte Potentialdifferenz über die gesamte Kette. Beachten Sie, dass sich das positive Ende der Quelle unten befindet, was ich tun musste, weil CircuitLab sich ungünstigerweise weigert, DC-Sweeps in der Positiv-zu-Negativ-Richtung durchzuführen.

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Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Unten sind die Diagramme des Stroms und der gesamten Verlustleistung in der linken und rechten Kette (links ist blau), wobei ich die Leistung als Produkt der gesamten Potentialdifferenz über jede Kette (einschließlich V1, die Durchlassspannungsanpassung) und den Strom berechne durch. Jeder Plot ist ein Sweep von V1 von 0 aufwärts, was zu einer fortschreitenden Verringerung des gesamten Spannungsabfalls führt und dadurch ein etwas naives Analogon einer steigenden Temperatur darstellt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Meine Interpretation davon ist, dass bis zu einer Verringerung der kombinierten Durchlassspannung der linken Kette von etwa 400 mV die Leistung sowohl in der linken als auch in der rechten Kette mit der Temperatur abnimmt. Das reicht aus, um ein thermisches Durchgehen in beiden Ketten zu verhindern, aber es zeigt ein Problem auf.

Wenn sich die kombinierte Durchlassspannung einer der Ketten um mehr als 400 mV von der der anderen unterscheidet, tritt dieses System in einen anderen Bereich ein, in dem eine weitere Ungleichheit zu einem thermischen Durchgehen führt. Daher ist diese Schaltung nicht sehr effektiv, wenn die LEDs von vornherein nicht gut aufeinander abgestimmt sind.

Unter 400 mV temperaturinduzierter Durchlassspannungsreduzierung scheinen mich und @ jp314 zu rechtfertigen, die behaupteten, dass die Schaltung funktionieren würde. In dem weitaus wahrscheinlicheren Szenario, dass die LEDs nicht gut aufeinander abgestimmt sind, scheint die Meinung von @tobalt jedoch leicht das bessere Urteil zu sein.

Jetzt füge ich Widerstände hinzu, um den "Master-Slave" -Aspekt des Spiegels zu mildern, wie @Neil_UK vorschlägt (obwohl ich keine Emitterwiderstände einschließe, um Transistorfehlanpassungen zu bekämpfen). Hier ist der Schaltplan mit Strom- und Leistungsdiagrammen:

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Simulieren Sie diese Schaltung

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Dies scheint das Problem der LED-Fehlanpassung zu lösen, da die kombinierte Durchlassspannung in der linken Kette weiter abnimmt, weit über den vorherigen Wendepunkt hinaus, die Leistung in beiden Ketten weiter abnimmt.

In Anbetracht dessen scheint es mir, dass der "ausgeglichene" Stromspiegel tatsächlich dazu dient, ein thermisches Durchgehen in beiden Ketten zu verhindern.

Ich bin mir bewusst, dass die Art und Weise, wie ich den Temperaturkoeffizienten der negativen Durchlassspannung der LEDs modelliert habe, ziemlich naiv ist, und es wird mich nicht überraschen, wenn mein Ansatz stark kritisiert wird, aber das ist alles, was ich habe. Dieses Ding hat mir sowieso schon den Kopf verdreht, also begrüße ich alles, was das ins Bett bringt, auch (und besonders), wenn es das alles völlig entkräftet.

Ich ermutige Sie, V1 auch in Richtung negativer Spannungen zu stellen. Das zeigt die hohe Asymmetrie des unsymmetrischen Stromspiegels.
Einverstanden! Das habe ich gemacht, und tatsächlich steigt die Leistungskurve in beiden Fällen nach links weiter an. Ich dachte jedoch, dass dies einer Erhöhung einer anderen Spannungsquelle in der rechten Kette entspricht, und wollte meine ohnehin langatmige Antwort nicht verkomplizieren. Mir ist jedoch klar, dass die Master-Slave-Beziehung das, was ich gerade gesagt habe, aufgrund von Asymmetrie ungültig macht. Übrigens, danke Tobalt, deine Kommentare waren wirklich hilfreich und inspirierend.
Wird ein Stromspiegel ein thermisches Durchgehen dieser LEDs parallel verhindern?
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