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Autor Tópico: Preciso de uma fonte de corrente constante ?  (Lida 366 vezes)

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Offline vasco

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Preciso de uma fonte de corrente constante ?
« em: 04 de Novembro de 2017, 08:26 »
Bom dia,

Estou a fazer um circuito que usa um arduino nano e um ULN2003A para controlar 3 leds rgb (ânodo comum).
Eu sei que para leds normais não é necessário o ULN2003 mas a minha ideia é depois poder escalar isto para leds de 1W.

Ía por simplesmente um 7805 à entrada, alimentando o Nano pelo VIN (desnecessário, podia ir logo pelos +5V se percebo bem como isto funciona, pelo VIN passa por outro regulador), e ligado aos ânodos dos leds.

Mas depois fiquei a pensar se os leds (quando forem os de 1w) vão exigir que a corrente que podem puxar seja limitada por uma fonte de corrente constante, ou se o ULN2003 ao controlar os cátodos fará essa regulação.

O input para o circuito vai ser cerca de 7V e será a partir de um dos muitos transformadores de parede que parece que vão nascendo cá por casa e que podem dar qq coisa desde os 9 até aos 17V (apesar de normalmente dizerem 12V), portanto a seguir passam por um buck converter regulável para darem aproxegadamente 7V, ou seja o suficiente para o 7805 conseguir dar os 5V sem ter que aquecer muito...

obrigado
« Última modificação: 04 de Novembro de 2017, 09:00 por vasco »

Offline Njay

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Re: Preciso de uma fonte de corrente constante ?
« Responder #1 em: 04 de Novembro de 2017, 14:48 »
Com os de 1W, sim. O ULN2003 é apenas um conjunto de "interruptores" ON/OFF.

Se tens um regulador comutado buck, mete a saída a 5V e alimenta o Arduino por aí (não sei de cor qual a entrada, mas até pode ser pela USB se tiveres ficha adequada). Na verdade não sei se o Nano tem regulador de tensão, se não tiver, tens mesmo que o alimentar com 5V.

Offline jm_araujo

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Re: Preciso de uma fonte de corrente constante ?
« Responder #2 em: 05 de Novembro de 2017, 09:50 »
Não acho muita piada aos ULN, darlingtons dão-me uma vibe muito anos 80 ou anterior. Dão jeito quando a capacidade doa GPIO já não chegam e se quer algo mais integrado, mas não dá para grandes abusos por causa das perdas.
Para controlar LEDs e se queres ter mais que as 8 cores básicas do on/off, a figura complica rapidamente. Se vais meter um micro ao barulho, hoje em dia acho que o mais fácil é usar os apa102 (melhor que os ws2812b), são endereçáveis individualmente quando ligados em cadeia, e podes compralos já em fitas. Alimentação de 5V + data + CLK e já tá. Até há bibliotecas já prontas.

Quanto às ideia original de fonte de corrente, não estou a visualizar como é que te ia ajudar. Nos LEDs RGB as cores tem brilhos diferentes para a mesma corrente. E precisavas uma fonte para cada led, senão com um led ligado tinhas o triplo da corrente nele do que com 3 ligados, isto fazendo de conta que os LEDs them todos a mesma queda de tensão, que é outro filme. Como disse não estou a ver, faz aí um rabisco para ajudar a perceber.

Datasheet que mostra o que estou a dizer: http://cdn.sparkfun.com/datasheets/Components/LED/YSL-R596AR3G4B5C-C10.pdf . É só ver as diferenças das quedas de tensão e de brilho para os 3 LEDs do RGB.
« Última modificação: 05 de Novembro de 2017, 09:55 por jm_araujo »

Offline vasco

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Re: Preciso de uma fonte de corrente constante ?
« Responder #3 em: 05 de Novembro de 2017, 10:16 »
Aqui vai o boneco. Be nice, lembrem-se que eu sou um rookie sem nenhuma educação nestas andanças.
Já li noutro lado opiniões semelhantes relativas aos UNL serem muito antiquados mas fiquei sem saber porquê. Dado que cada canal pode fazer o sinking de até 500 mA e poderem ser paralelizados (é por isso que no esquema estou a usar só os canais 1, 3 e 5, fico com a opção de user 1+2, 3+4 e 5+6).

A parte da fonte CC foi inspirada diretamente na datasheet do lm317, posso ter-me baralhado com as formulas e calculado mal as resistências, mas queria obter 5V a 1A.

A ideia de ter uma fonte para os leds e outra para o resto da eletrónica é só minha, provavelmente é estúpida mas assumo a culpa toda... :-) Sabendo que uma fonte de corrente constante vai variar a voltagem para manter a corrente achei que o arduino ía protestar, portanto... Assumindo que a ideia é idiota, diga-me como é que se faria.


Offline Njay

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Re: Preciso de uma fonte de corrente constante ?
« Responder #4 em: 05 de Novembro de 2017, 11:31 »
Ahh... uma fonte CC só serve para alimentar um LED ou vários LEDs em série. Como queres controlar vários e, potencialmente, ajustar-lhes o brilho, terias que ter uma fonte CC por LED, o que rapidamente se torna complexo. Daí a sugestão do jm de usar um desses integrados que já fazem o controle correcto de vários LEDs e a partir de uma interface simples. No entanto, só servem para LEDs "normais" (não os de 1W)... aliás, pelo 1º hit do google, o que compras é um LED RGB já com o APA102 integrado, portanto não podes mudar os LEDs mais tarde para outros de 1W, nem o integrado suporta LEDs de tal potência.

O problema de controlar LEDs de maior potência do que os "normais" de 20mA tem a ver com a eficiência e o aquecimento. Se queres alimentar um LED vermelho de alto brilho de 20mA e, não sei agora ao certo mas digamos que tem 3V de queda de tensão, a partir duma fonte de 5V, pegas na Lei de Ohm e calculas uma resistência a colocar em série com o LED para limitar a corrente aos 20mA,

5V = 3V + Vr <=> Vr = 2V
I = V / R => 20mA = 2V / R <=> R = 100 Ohm

A dissipação de energia no LED e na resistência são de

LED: 3V * 20mA = 60mW
R: 2V * 20mA = 40mW

Dos 100mW que dás ao circuito para acender o LED, 40% é desperdício na resistência, mas são valores pequenos e passam "despercebidos" sem aquecimento que se note. Um LED, sendo um díodo, ao aquecer reduz a sua queda de tensão, o que leva a que a corrente aumente, o que o faz aquecer mais, e a corrente aumenta e por aí fora até eventualmente queimar - o chamado "thermal runaway". Como nestes LEDs pequenos o aquecimento é muito pouco, este problema em geral não se coloca, para utilizações dentro de casa. Uma fonte de corrente mantém a corrente constante mesmo com as variações de queda de tensão do LED devidas à temperatura; assim, quando a queda de tensão do LED baixa, a corrente mantém-se constante em vez de aumentar e entrar-se num ciclo que leva ao thermal runaway.

Se tentares limitar a corrente desta mesma forma num LED de 1W (330mA), o que acontece? Antes de mais e independentemente da técnica usada para controlo da corrente, o aquecimento é muito relevante pois 1W dissipado na coisinha minúscula que é o volume de um LED (da pastilha de silício) fá-lo ficar "a ferver" e coloca-se logo o problema do "thermal runaway". Mas além disso, há agora também 0.6W (2V * 330mA) a serem dissipados na resistência - é preciso uma de 1W ou mais, que é "grande" e aquece. A eficiência continua má, mas agora nota-se mais porque tudo aquece e a resistência é fisicamente grande. Em resumo, um "desastre" :)

Portanto para controlar LEDs "maiores" que os "normais" precisas de outras técnicas, como fontes comutadas de corrente ou talvez PWM com feedback de corrente, mas sempre uma fonte por cada LED que queres acender/controlar individualmente. Se calhar o que queres é simplificar o teu esquema para funcionar apenas com LEDs de baixa potência e um dia se quiseres ir para os de 1W, re-desenhar tudo.

Offline vasco

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Re: Preciso de uma fonte de corrente constante ?
« Responder #5 em: 05 de Novembro de 2017, 17:30 »
Se tentares limitar a corrente desta mesma forma num LED de 1W (330mA), o que acontece? Antes de mais e independentemente da técnica usada para controlo da corrente, o aquecimento é muito relevante pois 1W dissipado na coisinha minúscula que é o volume de um LED (da pastilha de silício) fá-lo ficar "a ferver" e coloca-se logo o problema do "thermal runaway". Mas além disso, há agora também 0.6W (2V * 330mA) a serem dissipados na resistência - é preciso uma de 1W ou mais, que é "grande" e aquece. A eficiência continua má, mas agora nota-se mais porque tudo aquece e a resistência é fisicamente grande. Em resumo, um "desastre" :)

Portanto para controlar LEDs "maiores" que os "normais" precisas de outras técnicas, como fontes comutadas de corrente ou talvez PWM com feedback de corrente, mas sempre uma fonte por cada LED que queres acender/controlar individualmente. Se calhar o que queres é simplificar o teu esquema para funcionar apenas com LEDs de baixa potência e um dia se quiseres ir para os de 1W, re-desenhar tudo.

Quando (ou se) usar os leds de 1W serão apropriadamente montados num dissipador. Não vão ficar "flapping in the breeze" (sic). :-)
Ou seja, Para os leds de 1W o melhor será arranjar um driver externo com voltagem suficiente para alimentar os 3 leds ligados em serie?
No entanto, relativamente à parte do controle, será aceitável manter o uln a controlar os cátodos ? Para usar 3 leds teria que usar 2 canais do ULN por cada cor, mas isso já estava a pensar fazer desde o inicio.

Neste desenho que estou a fazer estou a usar leds RGB piranha, que têm no máximo 25mA por cada cor, e dizem que têm um Vf = 3.6, ou seja, para usar os 25mA teria uma resistência de 69ohm por cor, realmente os 220ohm que estava a usar é demasiado alto, provavelmente é melhor usar qualquer coisa na ordem do 80ohm a 90ohm.
Nesta situação posso simplesmente deitar fora o LM137 e ficar apenas com o 7805 alimentado por qualquer coisa acima dos 8V.  ?


Offline Njay

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Re: Preciso de uma fonte de corrente constante ?
« Responder #6 em: 05 de Novembro de 2017, 21:47 »
Citação de: vasco
Quando (ou se) usar os leds de 1W serão apropriadamente montados num dissipador. Não vão ficar "flapping in the breeze" (sic). :-)

Sim, mas aquecem à mesma, face a um LED de 20mA em que se lá meteres os dedos não notas nada.

Ou seja, Para os leds de 1W o melhor será arranjar um driver externo com voltagem suficiente para alimentar os 3 leds ligados em serie?

Para os de 1W tens que ir para outras soluções, sim, ou já feitas ou fazeres tu.

No entanto, relativamente à parte do controle, será aceitável manter o uln a controlar os cátodos ? Para usar 3 leds teria que usar 2 canais do ULN por cada cor, mas isso já estava a pensar fazer desde o inicio.

Se estás a falar de LEDs de 20mA, sim, mas não percebo porque dizes que precisas de 2 canais para 3 cores (quando te referes a LED RGB convém dizeres que são RGB...).

Neste desenho que estou a fazer estou a usar leds RGB piranha, que têm no máximo 25mA por cada cor, e dizem que têm um Vf = 3.6, ou seja, para usar os 25mA teria uma resistência de 69ohm por cor, realmente os 220ohm que estava a usar é demasiado alto, provavelmente é melhor usar qualquer coisa na ordem do 80ohm a 90ohm.

Para 25mA a resistência seria de 56 Ohm. Acho que 20mA é um bom valor.

(5V - 3.6V) / 20mA = 70 Ohm ~ 68 Ohm (valor comercial + próximo)

Mas vê lá melhor se essa Vfw é mesmo a mesma para as 3 cores...


Nesta situação posso simplesmente deitar fora o LM137 e ficar apenas com o 7805 alimentado por qualquer coisa acima dos 8V.  ?

Essa fonte de corrente que tens com o LM317 não te servirá para nada, podes removê-la do circuito.
« Última modificação: 05 de Novembro de 2017, 21:49 por Njay »

Offline vasco

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Re: Preciso de uma fonte de corrente constante ?
« Responder #7 em: 05 de Novembro de 2017, 22:11 »

No entanto, relativamente à parte do controle, será aceitável manter o uln a controlar os cátodos ? Para usar 3 leds teria que usar 2 canais do ULN por cada cor, mas isso já estava a pensar fazer desde o inicio.

Se estás a falar de LEDs de 20mA, sim, mas não percebo porque dizes que precisas de 2 canais para 3 cores (quando te referes a LED RGB convém dizeres que são RGB...).

Desculpa, tens razão. Mas sim, estou a falar de leds RGB.
Cada canal do ULN pode fazer o sink de até 500mA, se estiver a usar 3 leds rgb a fazer aprox. 300mA em CADA cor, tenho 900mA por cada cor, logo tenho que usar 2 canais em paralelo para cada cor. Provavelmente a solução mais normal hoje em dia é usar mosfets mas ainda tenho que estudar esses bichos.

Citar
Para 25mA a resistência seria de 56 Ohm. Acho que 20mA é um bom valor.

(5V - 3.6V) / 20mA = 70 Ohm ~ 68 Ohm (valor comercial + próximo)

Mas vê lá melhor se essa Vfw é mesmo a mesma para as 3 cores...


Na descrição dizem que sim, como é que eu posso medir isso ? Com o multímetro em teste de díodos ? Experimentei aqui com um led rgb de 5mm e deu-me 1.8 para o vermelho, 2.4 para o verde e 2.5 para o azul, é assim que se mede ?

Citar
Essa fonte de corrente que tens com o LM317 não te servirá para nada, podes removê-la do circuito.


Obrigado.

Offline jm_araujo

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Re: Preciso de uma fonte de corrente constante ?
« Responder #8 em: 05 de Novembro de 2017, 22:43 »
Não esquecer que como o ULN2003 são saídas em darlington, a queda de tensão não é desprezável, começa em 0,7V e sobe com a corrente (ver datasheet, VCE(sat) na página 5 aqui:
http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=slrs027&fileType=pdf  e figuras 7 na página 9)

Também são muito interessantes as figuras 4 e 5 da página 9: indicam que se for para estar sempre ligadas (duty cycle=100%), nem sequer aguenta com 500mA numa só saída sem correr o risco de queimar.
São por essas e outras que não lhes acho muita piada...
« Última modificação: 05 de Novembro de 2017, 22:44 por jm_araujo »

Offline Njay

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Re: Preciso de uma fonte de corrente constante ?
« Responder #9 em: 05 de Novembro de 2017, 22:46 »
Citação de: vasco
No entanto, relativamente à parte do controle, será aceitável manter o uln a controlar os cátodos ? Para usar 3 leds teria que usar 2 canais do ULN por cada cor, mas isso já estava a pensar fazer desde o inicio.
Se estás a falar de LEDs de 20mA, sim, mas não percebo porque dizes que precisas de 2 canais para 3 cores (quando te referes a LED RGB convém dizeres que são RGB...).

Desculpa, tens razão. Mas sim, estou a falar de leds RGB.
Cada canal do ULN pode fazer o sink de até 500mA, se estiver a usar 3 leds rgb a fazer aprox. 300mA em CADA cor, tenho 900mA por cada cor, logo tenho que usar 2 canais em paralelo para cada cor.

Ah, então estás a falar de quando tiveres os de 1W. Aí precisarias de usar 1 canal por LED e por cor.

Citação de: vasco
Provavelmente a solução mais normal hoje em dia é usar mosfets mas ainda tenho que estudar esses bichos.

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Para 25mA a resistência seria de 56 Ohm. Acho que 20mA é um bom valor.

(5V - 3.6V) / 20mA = 70 Ohm ~ 68 Ohm (valor comercial + próximo)

Mas vê lá melhor se essa Vfw é mesmo a mesma para as 3 cores...


Na descrição dizem que sim, como é que eu posso medir isso ? Com o multímetro em teste de díodos ? Experimentei aqui com um led rgb de 5mm e deu-me 1.8 para o vermelho, 2.4 para o verde e 2.5 para o azul, é assim que se mede ?

Injectas no LED a corrente a que o queres meter a funcionar e medes a tensão entre o ánodo e o cátodo, é essa a Vfw. Uma forma rápida de fazer essa injecção é experimentares algumas resistências em série/paralelo até acertares no valor aproximado (é uma das utilizações possíveis de uma caixa de resistências). Não uses um potenciómetro que o podes queimar. Podes começar por assumir que a Vfw é o valor típico para a cor em questão para calculares uma resistência inicial.

Offline samc

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Re: Preciso de uma fonte de corrente constante ?
« Responder #10 em: 06 de Novembro de 2017, 21:55 »
Há uns anos tive de controlar leds de potencia num projeto pessoal e a solução que utilizei foi utilizar drivers baratos para LEDs (na altura as fitas tipo ws2812b ainda “não existiam”). São uns Mini circuitos que custam menos de 1 euro cada e já trazem um integrado para controlar a saída de corrente, também trazem ums diodos porque a polaridade da entrada não precisa de ser respeitada. A vantagem além do baixo preço, é que tens um footprint baixo do módulo e não tens problemas com a dissipação.
Depois para os controlar através do uC usei os típicos MOSFETs de potência com as resistências de pull down e de proteção do micro.

Offline samc

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Re: Preciso de uma fonte de corrente constante ?
« Responder #11 em: 06 de Novembro de 2017, 21:56 »

Offline vasco

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Re: Preciso de uma fonte de corrente constante ?
« Responder #12 em: 07 de Novembro de 2017, 23:14 »

Injectas no LED a corrente a que o queres meter a funcionar e medes a tensão entre o ánodo e o cátodo, é essa a Vfw. Uma forma rápida de fazer essa injecção é experimentares algumas resistências em série/paralelo até acertares no valor aproximado (é uma das utilizações possíveis de uma caixa de resistências). Não uses um potenciómetro que o podes queimar. Podes começar por assumir que a Vfw é o valor típico para a cor em questão para calculares uma resistência inicial.

Recebi hj os piranha, como ainda não tenho uma fonte de corrente constante (vem a caminho) não posso fazer como dizes.
Já tenho uma caixa de resistências no escolhida, mas ainda não mandei vir. (www.ebay.com/itm/322561303898 ou www.ebay.com/itm/272612151744)

Mas com o multímetro em vez dos 3.6V que o vendedor dizia tenho R=1.8 G=2.25 B=2.51, que parecem ser valores mais normais.

Offline vasco

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Re: Preciso de uma fonte de corrente constante ?
« Responder #13 em: 07 de Novembro de 2017, 23:31 »
Há uns anos tive de controlar leds de potencia num projeto pessoal e a solução que utilizei foi utilizar drivers baratos para LEDs (na altura as fitas tipo ws2812b ainda “não existiam”). São uns Mini circuitos que custam menos de 1 euro cada e já trazem um integrado para controlar a saída de corrente, também trazem ums diodos porque a polaridade da entrada não precisa de ser respeitada. A vantagem além do baixo preço, é que tens um footprint baixo do módulo e não tens problemas com a dissipação.
Depois para os controlar através do uC usei os típicos MOSFETs de potência com as resistências de pull down e de proteção do micro.

Depois do que li aqui acho que o melhor será uma daquelas caixinhas brancas (que hoje vêm com todos os candeeiros led) com a potencia apropriada, mas não é lá muito prático ter que ter uma por led. Esses modulos seriam provavelmente uma melhor solução, podes enviar um link ou pelo menos o nome para procurar ? Só pela imagem não encontro nada assim tão pequeno.
Também vou ver se mando vir uns MOSFETs para brincar um bocadinho.

tks

Offline Njay

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Re: Preciso de uma fonte de corrente constante ?
« Responder #14 em: 07 de Novembro de 2017, 23:57 »
Citação de: vasco
Recebi hj os piranha, como ainda não tenho uma fonte de corrente constante (vem a caminho) não posso fazer como dizes.

Com o teste que te indiquei não precisas da fonte de corrente.

Citação de: vasco
Já tenho uma caixa de resistências no escolhida, mas ainda não mandei vir. (www.ebay.com/itm/322561303898 ou www.ebay.com/itm/272612151744)

Mas com o multímetro em vez dos 3.6V que o vendedor dizia tenho R=1.8 G=2.25 B=2.51, que parecem ser valores mais normais.

Eu não te disse para usares o multímetro (DMM) porque tinha quase a certeza absoluta que ias obter valores demasiado baixos :)
O DMM usa uma corrente muito baixa para esse teste, não serve (penso que 1mA ou menos; se tiveres um 2º DMM podes medi-la). Precisas de medir a Vfw à corrente nominal do LED.
« Última modificação: 08 de Novembro de 2017, 14:52 por Njay »