Zaloguj
Przykład z życia wzięty: klient życzy sobie, aby wokół pokrętła regulacji głośności w nowym sterowniku wzmacniacza znajdowała się świecąca „otoczka”. W zamyśle będzie to pierścień z mlecznobiałego, półprzejrzystego poliwęglanu, który od spodu muszę podświetlić kilkunastoma diodami LED w obudowach SMD (w celu uzyskania możliwie równomiernego podświetlenia pierścienia na całym jego obwodzie). Jak zaznaczył klient, efekt świetlny ma mieć kolor zielony, a do tego musi być subtelny, lekko dostrzegalny, absolutnie nieodwracający wzroku słuchacza od wyeksponowanych lamp elektronowych. Trzeba uwzględnić ponadto możliwość jego załączania i wyłączania wraz z całym wzmacniaczem.
Jak jasno potrafią świecić diody LED, wiemy chyba wszyscy. Nawet małe, niepozorne „pipki” w obudowach 0603 potrafią (odpowiednio wycelowane) nieźle oślepić. Oczywiście dzieje się tak ze względu na budowę samej struktury półprzewodnikowej – obudowa ma tutaj drugorzędne znaczenie, zwłaszcza w przypadku diod tzw. sygnalizacyjnych, czyli ukierunkowanych na niską cenę jednostkową i wysoką trwałość, nie zaś na spektakularną jasność.
W wielu typowych zastosowaniach zasilamy diody LED prądem o natężeniu kilku lub kilkunastu miliamperów. Świecą wtedy bardzo jasno, ich parametry maksymalne nie zostają przekroczone, pobór mocy okazuje się z reguły pomijalny (zwłaszcza w urządzeniach sieciowych). W opisanym przykładzie jednak myślenie należy „odwrócić”, bowiem trzeba doprowadzić do sytuacji, w której kilkanaście diod będzie świeciło ze stosunkowo niską (i możliwie jednakową) jasnością. Na warsztat wziąłem diody typu HL-PC-3216U70GC od producenta Honglitronic, które świecą barwą zieloną, a zamknięte są w obudowach 1206 (ze względu na wygodę ich ustawienia na powierzchni płytki). Szeroki kąt świecenia 120° umożliwia ładne rozproszenie światła w całej objętości podświetlanego pierścienia. Dziesięć takich diod rozłożonych równomiernie po okręgu powinno wystarczyć.
Testy wykazały, że pożądana jasność pojedynczej diody jest uzyskiwana przy natężeniu prądu zasilającego równym 10 μA. Nie należy się temu przesadnie dziwić, wszak ludzkie oko jest szczególnie wyczulone właśnie na barwę zieloną. Z kolei jasność diody zależy od natężenia prądu przez nią płynącego (rysunek 1), więc regulując prąd, uzyskujemy bezpośredni wpływ na jasność światła. Prąd płynący przez diodę najprościej byłoby ograniczyć za pomocą rezystora włączonego z nią w szereg – zwłaszcza że moc na nim tracona będzie znikoma z racji bardzo małego natężenia prądu. Wprawdzie pokazany na rysunku 1 wykres dotyczy prądu przewodzenia rzędu miliamperów, lecz z samej zasady działania diody LED można domniemywać, iż zależność ta powinna być liniowa (lub chociaż quasi-liniowa) w szerokim zakresie prądu przewodzenia.
Jednak zamieszczony w nocie katalogowej wykres odzwierciedlający charakterystykę prądowo-napięciową tejże diody – rysunek 2 – okazuje się w obszarze tak niskich prądów zupełnie nieprzydatny. Ma on charakter wybitnie poglądowy, toteż trzeba choćby zgrubnie oszacować napięcie przewodzenia wspomnianej diody w tym obszarze pracy. I tu kolejna niespodzianka – jedna dioda miała w takich warunkach napięcie przewodzenia równe 2,05 V, druga 1,86 V, zaś trzecia 2,23 V. Pomiaru dokonano woltomierzem o rezystancji wewnętrznej 100 MΩ, więc jego wpływ na dokładność tych pomiarów można uznać za pomijalny.
Rozbieżności pomiędzy poszczególnymi egzemplarzami są więc doskonale widoczne i niepodważalne, przekraczają 10%. Wpływ na ten stan rzeczy mają zapewne rozrzuty technologiczne, bowiem temperatura elementów podczas próby była niemal jednakowa. Pierwszy wniosek jest taki, że połączenie tych diod równolegle i zasilanie ze wspólnego rezystora ograniczającego ich prąd to pomysł kompletnie nietrafiony, bowiem będą one świecić z zupełnie różną jasnością. Nie pomaga tutaj również charakterystyka czułości oka ludzkiego, która jest zakrzywiona logarytmicznie – inaczej mówiąc: przy niewielkich poziomach jasności różnice są doskonale widoczne, zaś zacierają się dopiero przy znacznie jaśniejszym świetle. Trzeba mieć to na uwadze i naprawdę dobrze zadbać o wyrównanie prądów diod.
Drugi wniosek: najlepiej byłoby opisywane diody zasilać ze źródła prądowego, aby układ stał się niewrażliwy na rozrzuty napięć przewodzenia poszczególnych diod. Można to jednak uznać za strzelanie z armaty do muchy, bowiem w omawianym układzie mamy aż dziesięć diod, zaś najwyższe napięcie, jakim dysponuje zastosowana płytka sterownika, wynosi 12 V. Zatem opcja połączenia wszystkich diod szeregowo i zasilania z jednego precyzyjnego źródła prądowego odpada, gdyż do zasilenia całego obwodu wymagane byłoby zarezerwowanie napięcia rzędu 30 V. Trzeba by zatem podzielić komponenty na np. pięć łańcuchów po dwie diody, co komplikuje i rozbudowuje cały układ, który – podkreślam – ma jedynie podświetlać niewielki pierścionek wokół pokrętła. Znacznie lepszy pomysł stanowiłoby „zasymulowanie” źródła prądowego za pomocą odpowiednio dobranego rezystora. Jak to zrobić?
Rysunek 3 wyraża znaną z teorii obwodów zależność – nieidealne źródło prądowe może zostać zastąpione przez nieidealne źródło napięciowe, przy czym owa „nieidealność” jest w rzeczywistości rezystancją wewnętrzną. W przypadku źródeł prądowych nosi ona nazwę upływności. Każde rzeczywiste źródło prądowe ma upływność, którego wartość to kiloomy lub megaomy, zależnie od przyjętej topologii, w tym istnienia w układzie np. sprzężenia zwrotnego. Dlatego rezystor o rezystancji równej upływności takiego źródła będzie się zachowywał właśnie jak samo źródło.
Im wyższa upływność źródła, tym bliższe ideału ono będzie, więc warto dążyć do możliwie wysokiej rezystancji rezystora ograniczającego prąd diody. Ma to również uzasadnienie intuicyjne: im większy będzie spadek napięcia na rezystorze, tym mniejszy wpływ na natężenie płynącego prądu będzie miało napięcie przewodzenia każdej z diod. Zmiana napięcia przewodzenia diody o 0,2 V to aż 10%, jeżeli na rezystorze ma się planowo odkładać napięcie o wartości 2 V – ale już tylko 2%, jeżeli przewidujemy do odłożenia na rezystorze napięcie rzędu 10 V. Przy 100 V na rezystorze będzie to zaledwie 0,2% – wartość całkowicie pomijalna, ale dobrze obrazująca, że warto dążyć do możliwie wysokiego spadku napięcia na rezystorze ograniczającym prąd diody, jeżeli tylko mamy ku temu warunki.
Przyjmując prąd pojedynczej diody na poziomie 10 μA, orientacyjną wartość napięcia przewodzenia na poziomie 2 V i napięcie zasilające równe 12 V, nietrudno jest obliczyć, że na każdy z dziesięciu rezystorów ograniczających prąd tychże diod przypadnie napięcie około 10 V, co przy tak zadanym natężeniu prądu przekłada się na ich rezystancję równą 1 MΩ. Najlepiej, aby były to rezystory o tolerancji 1%, która w dzisiejszych czasach jest już niemal standardem. Trzeba połączyć dziesięć takich gałęzi równolegle i zasilić z pojedynczego klucza tranzystorowego, jak na rysunku 4. Czy to koniec roboty? Niekoniecznie.
Przy tak niskim prądzie płynącym przez diody warto zwrócić uwagę na zagadnienie prądu zerowego użytego tranzystora. Jego wartość silnie zależy od potencjału drenu, jak również od temperatury złącza. Ponieważ mamy do czynienia z urządzeniem lampowym, trzeba wziąć pod uwagę nagrzewanie się wszystkich podzespołów do temperatury znacznie wyższej od pokojowej. Nota katalogowa tranzystora BSS123 nie obfituje w szczegóły na ten temat – tabela 1 – ale daje pewien pogląd na rząd wielkości tegoż prądu.
Można się spodziewać, że przy temperaturze wyższej od pokojowej prąd może przyjąć wartość nawet kilku mikroamperów. Prąd o takim natężeniu w większości przypadków nie spowoduje żadnych nieprawidłowości w działaniu układu, lecz tutaj może wywołać lekkie, ledwo zauważalne żarzenie się struktur diod LED.
Lepiej byłoby nie dopuścić do podobnego, nieestetycznego w skutkach zjawiska, tym bardziej że rozwiązanie okazuje się niezwykle proste – wystarczy wszystkie gałęzie włączone w dren tranzystora wykonawczego zbocznikować rezystorem o wartości na tyle małej, aby prąd zerowy drenu wywołał na nim spadek napięcia znacznie mniejszy niż napięcie przewodzenia diod. W tym układzie pod ręką były rezystory 10 kΩ, z których jeden został użyty w roli rezystora rozładowującego pojemność bramka-źródło, więc nic nie stało na przeszkodzie, by dodać jeszcze jeden, stanowiący główną drogę dla prądu zerowego drenu. Nawet przy maksymalnej wartości prądu zerowego (tj. 60 μA, którą można uzyskać przy znacznie wyższym napięciu dren-źródło i w ekstremalnie wysokiej temperaturze) na tym rezystorze odłoży się napięcie o wartości 600 mV, czyli znacznie mniej, niż jakakolwiek dioda LED wymaga do świecenia. W typowych warunkach będzie to kilkanaście czy nawet kilkadziesiąt miliwoltów, więc zatkanie tranzystora T1 spowoduje trwałe i pewne wyłączenie sterowanych przez niego diod. Schemat ideowy uwzględniający tę przeróbkę znajduje się na rysunku 5.
Michał Kurzela, EP
