Liczenie rezystorów - problem praktyczny.

Cześć, mam układ jak poniżej:

Bramka MOSFETa jest podłączona do sygnału (więc ledy świecą). Emiter dolnego NPN jest też podłączony do jakiegoś wyjścia. Myślę, że tranzystory tutaj akurat nie mają znaczenia, ale umieściłem je na rysunku.

LEDy są żółte.

Chcę dobrać tak rezystory przy ledach, aby pracowały z prądem około 10mA. A więc od zasilania odjąłem spadki napięcia na wszystkich diodach, tj:

9 - 1,9 - 1,9 - 1,9 - 0,65 = 2,65 (0,65 to mierzony spadek na diodzie prostowniczej)

Teraz z prawa Ohma: R = 2,65/0,01 = 265. Najbliższy rezystor to 270 Ohm. Okazało się, że nie dostałem 10mA, tylko jakąś zupełnie dziwną wartość. Poszukałem, poczytałem i znalazłem gdzieś info, że spadek napięcia na żółtym ledzie to 2V. To nam daje rezystor 235. Najbliższy mam 220 Ohm. Miernik pokazuje idealnie rezystancję 220. Niestety okazało się, że prąd w każdej gałęzi jest rzędu 6,8mA. Do 10mA trochę sporo brakuje. I teraz pytanie dlaczego? Czy tranzystory mają jednak na to jakiś wpływ? Czy komponenty są na tyle nieidealne? Czy czegoś nie rozumiem.

Moja propozycja jest taka: zmierz napięcia względem masy po kolei:

- na drenie MOSFETa,
- na anodach diodek prostowniczych,
- na anodach kolejnych diod LED,
- na szczycie czyli zasilaniu.

Od razu zobaczysz gdzie są jakie napięcia. Być może złe wartości przyjąłeś do obliczeń, może zasilanie to nie 9V itp.

Do baz tranzystorów npn praktycznie nic nie wpływa, bo dałeś im w emiter 1Meg, więc one nie zaburzają rozpływu prądów.

Spadki napięcia na LEDach trochę zależą od prądu, nie możesz na sztywno przyjmować tyle lub tyle chyba, że znasz prąd a przecież właśnie go liczysz. Możesz zakładać 1.9 czy 2V do zgrubnych obliczeń. Jednym elementem liniowym jest tu rezystor. Napięcie na nim zmierzone woltomierzem i znana rezystancja pozwalają wyznaczyć prąd (±tolerancja) bez włączania w szereg amperomierza.

Juhas, a może po prostu zmierz spadek napięcia na diodach a nie szukaj jej w internecie?

jakąś zupełnie dziwną wartość

To nic nie znaczy! Jaka to była wartość? Stawiam 5.5mA z obliczeń ale skoro zupełnie dziwna to może na przykład 4 pomarańcze?

150Om powinno dać Ci pożądany prąd na moje oko (zakładając pomijalne R(on) MOSFETa).

EDIT: A najlepiej zrób to co pisze Marek, dobrze pisze.

Wyszło mi tak (pomiary przy załączonym sygnale):

Dren: 0,02V

Diody: 0,7V

Szereg 1 ledów:

Led1: 6,67

Led2: 4,67

Led3: 2,68

Szereg 2 ledów:

Led1: 6,62

Led2: 4,64

Led3: 2,67

Ale problem jest faktycznie w zasilaniu. Bo o ile bateria dawała wcześniej 9,3V, to przy obciążeniu teraz daje 8,10V. Po odłączeniu zasilania napięcie trochę rośnie. Po kilku minutach urosło do 8,8V

Mierząc spadek napięcia na rezystorze, dostałem 1,34V. Co oznacza, że popłynie prąd: 6mA.

To teraz tak, skoro spadki napięcia na ledach zależą od prądu, to w takim razie jak poprawnie obliczyć rezystor, żeby prąd na ledach wyniósł około 10mA? Ale tak rzeczywiście. Zakładając, że napięcie zasilania jest 9V. Czy standardowe obliczenia tutaj nie wystarczą?

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

Nie ma jednego słusznego sposobu, bo wszelkie obliczenia (nawet te skomplikowane, uwzględniające nieliniowość diodek i temperaturę) będą bazować na jakimś modelu elementów. Modelem opornika jest równanie liniowe (prawo Ohma) a modelem diody równanie Shockleya. W modelu opornika przyjmujesz jakąś jego rezystancję (plus ew. dodatkowo zależność rezystancji od temperatury) i masz napięcie przy jakimś prądzie a w modelu diody musisz założyć mnóstwo rzeczy których nie masz szans znać. Na szczęście w większości przypadków robisz obliczenia inżynierskie - to nie szkoła, więc i rozrzuty 20-50% są zupełnie normalne. Bo kogo tak naprawdę obchodzi ile prądu płynie w diodzie LED. Ma wystarczająco jasno świecić, a same diody jakiegoś typu są przecież specyfikowane przez producenta na szerokie widełki jasności a nie konkretną wartość. Od drugiej strony masz elektronikę w której i tak musisz dać marginesy projektowe. Przecież nie będziesz zasilał diody 10mA z portu procesora mającego wydajność 8 lub 10mA. Musisz mieć zapas więc wstawiasz tranzystor mogący dostarczyć 100mA i opornik który w najgorszym wypadku (czyli wliczając tolerancję jego rezystancji, tolerancję szyny zasilania, napięcia Uce tranzystora i Uf diody) da taki prąd by dioda miała jasność jaką sobie założyłeś.

A w układach gdzie prąd (lub jakaś inna wielkość) musi być precyzyjnie ustawiona np. z dokładnością 1% lub lepszą stosuje się zupełnie inne rozwiązania. To nie jest ten przypadek. Tu najlepsze co możesz zrobić to zajrzeć do danych katalogowych konkretnie tej diody LED, znaleźć jej wykres U=f(I), odczytać napięcie przewodzenia dla prądu który planujesz i przyjąć takie napięcie Uf w obliczeniach. Myślę, że możesz wtedy uzyskać 10-20% dokładności w temperaturze pokojowej pod warunkiem... że panujesz na zasilaniem 🙂

OK, to jeszcze dwa pytania:

1. Z ciekawości, rzuć jakieś hasła jak sobie poradzić w tych przypadkach, gdzie musi być prawie idealnie.

2. Spójrz jeszcze raz na mój schemat. Załóżmy, że napięcie jest 8V, prąd płynący w każdej gałęzi z ledami to 6mA. Dokładnie miernik pokazuje 6,02mA w każdej gałęzi. Teraz, jeśli przerwę jedną gałąż (po prostu wyrzucę jednego leda tak, że zrobi się przerwa w obwodzie), to w drugiej prąd wzrasta do 6,7mA. Mierząc miernikiem rezystory, okazuje się, że różnią się między sobą o 1 Ohm. Czyli aż takiej różnicy nie powinno być. Więc mam teorię, że bateria jest już dość słaba i tak naprawdę na początku (przy dwóch gałęziach) powinna dać więcej niż 12,04mA, ale nie wyrabia i daje, co może. Dopiero po odłączeniu jednej gałęzi, zapotrzebowanie na prąd spada o połowę, więc bateria już daje radę i daje tyle, ile powinno być. Czy to rozumowanie jest słuszne? Jeśli tak, to czy można jakoś temu zaradzić. Mam kondensator filtrujący 22uF, ale jak widać nic nie daje. A może za mały? Jeśli moje rozumowanie nie jest słuszne, to dlaczego otrzymuję taki efekt? Że po przerwaniu jednej gałęzi, w drugiej pojawia się większy prąd, chociaż TEORETYCZNIE nie powinien?

Juhas, wygugluj hasło "rezystancja wewnętrzna".

W skrócie bateria zachowuje się jak źródło napięciowe z rezystorem. Więc wraz z wzrostem prądu spada napięcie na wyjściu. A baterie 9V mają z tym ogromny problem bo są w środku 6 malutkimi bateryjkami.

Tak jak napisał Chumanista: musisz zawsze pamiętać, że w każdej baterii, akumulatorze czy zasilaczu siedzi opornik szeregowy. Im mniejsza bateria, bardziej rozładowany akumulator czy gorszy zasilacz tym opornik jest większy. Jeżeli spada globalny pobór prądu po odłączeniu jednej gałęzi, to spada też spadek napięcia na tym niewidocznym oporniku. Napięcie na zaciskach baterii rośnie co widzi pozostała gałąź, więc i prąd w niej rośnie. Dlatego źródła napięcia "przysiadają" gdy zwiększasz im obciążenie.

Tego "opornika" wewnętrznego nie da się wprost zmierzyć omomierzem (nawet nie próbuj), ale możesz zmierzyć dwa napięcia baterii dla dwóch różnych prądów obciążenia. Jeżeli wyjdzie np:

8.4V dla 12mA

8.6V dla 4ma

to rezystancja wewnętrzna Twojej baterii w obecnym stanie wynosi:

0.2V/8mA=25Ω

Napisałem "w obecnym stanie" bo ten parametr bardzo zależy od stanu naładowania. W zasadzie w prawdziwej elektronice rzeczywiście służy on do oceny stanu baterii czy akumulatora. Producenci podają najczęściej najmniejszą wartość tej rezystancji, spodziewaną w nowym ogniwie prosto ze sklepu lub po naładowaniu w miarę nowego akumulatora. I jeżeli czytasz, że świeży akumulator żelowy ma powiedzmy 100mΩ to już wiesz, że jego napięcie będzie przysiadało o 100mV na każdy amper prądu. Po rozładowaniu możesz mieć np. 1Ω i wtedy jest już kiepsko.

Jeśli chodzi o metody precyzyjnej regulacji wielkości, to jest to trochę zbyt obszerne pytanie. Generalnie układy pasywne - czyli to co zbudowałeś - tak jakby "nie wiedzą" co się dzieje. Są jakieś napięcia w węzłach i płyną jakieś prądy wynikające z aktualnych rezystancji gałęzi. Wszystko co możesz zrobić to wymagać mniejszych tolerancji na napięcia, rezystancje itp. To oczywiście kosztuje, bo opornik 0.1% jest dużo droższy i delikatniejszy niż 5%. A i tak w końcu nadepniesz na takie grabie jak nieprzewidywalna dioda czy złącze BE tranzystora i koniec. Wtedy musisz użyć układu aktywnego czyli takiego, który sam będzie pilnował by jakiś zadany parametr trzymał się zadanej wielkości.

Wyobraź sobie, że zaczynasz od diody LED, opornika i baterii. Żeby się dowiedzieć jaki płynie tam prąd, możesz włączyć amperomierz ale sam już zauważyłeś, że przecież nie trzeba. Masz przecież opornik na którym odkłada się napięcie. Odpowiedni układ może to napięcie pobierać z opornika, porównywać z jakimś wzorcowym (gdzieś precyzyjny wzorzec czegoś musi być, a źródła napięcia są stabilne i tanie) i.. no właśnie. Po drodze musisz jeszcze wstawić element regulacyjny, najczęściej tranzystor. Tak więc masz teraz szeregowo: baterię, diodę LED, tranzystor i opornik. Tym razem ten ostatni nie służy do ograniczenia prądu (jak było w układzie pasywnym), ale do jego pomiaru. Może być mały, bo chcesz z niego dostać jakieś napięcie. Przy 10Ω dostajesz zatem 10mV/mA więc przy planowanych 10mA prądu diodki powinieneś utrzymywać na oporniku napięcie 100mV. Teraz wystarczy już tylko zaprojektować prosty układ, który będzie odpowiednio sterował bazą tranzystora tak, by napięcie na oporniku było takie jak dostarczone gdzieś z zewnątrz wzorcowe 100mV.

Gratulacje, właśnie zrobiłeś źródło prądowe. Możesz teraz prawie dowolnie zwiększać lub zmniejszać zasilanie (w granicach rozsądku, bo tranzystor musi to wytrzymać), zmieniać kolory i wielkości LEDów a prąd będzie zawsze ten sam. Oczywiście wciąż wiele zależy od jakości układu stabilizacji prądu (mówimy: wzmocnienia w pętli regulacji), ale teraz masz te 10mA z dokładnością 0.1% w zakresie napięć 5-24V a wtedy było tyle ile chciało. Fajne?

Najprostsze źródło prądowe to.. sam tranzystor. Nie wiem czy tak daleko w swoich badaniach doszedłeś, ale spojrzyj na rodzinę charakterystyk wyjściowych (Ic=f(Uce) dla kilku różnych Ib) tranzystora npn i powiedz, czy coś Ci przychodzi do głowy. Nie będzie to rewelacyjne źródło, ale dostatecznie ustabilizuje prąd diody LED w zakresie napięć powiedzmy 8-24V tak, byś praktycznie nie wiedział zmian jasności.

Dzisiaj w tym trochę pogrzebię. A w między czasie jeszcze jedno pytanie. Czytałem w EDW, że o ile kondensator zapobiega zmianom prądu, o tyle cewka zapobiega zmianom napięcia. Więc czy stosuje się jakieś dławiki, czy większe cewki do prostej stabilizacji napięcia? Ja wiem, że istnieją do tego stabilizatory 😉 Problem w tym, że potrzebuję napięcia około 9V (zasilanie buzzera i szeregowe ledy - szeregowe, żeby był mniejszy pobór prądu - żeby bateria na dłużej starczyła). W sumie mógłbym też zastosować stabilizator 8V, ale czytając datasheety okazuje się, że on potrzebuje wejścia 14V.

Coś pokręciłeś. Prąd płynący przez kondensator możesz zmieniać dowolnie i z dowolną prędkością. Za to napięcie na kondensatorze jest "leniwe" - jest wypadkową (sumą po czasie) całkowitego prądu jaki dopłynął/odpłynął (A*s) razy jakiś współczynnik zwany pojemnością. Jeżeli kondensator jest duży (ma dużą pojemność) to dopływający prąd będzie powodował powolne wzrosty napięcia. Jeżeli prąd nagle przestanie płynąć nic się nie stanie, napięcie po prostu przestanie rosnąć. Na małym kondensatorze zmiany napięcia (dla tego samego prądu) będą większe, ale to wszystko. Kondensator włączasz równolegle do źródła napięcia (np. baterii lub stabilizatora) właśnie po to, by odciążyć źródło od gwałtownych zmian prądu obciążenia. Stabilizatory są wolne a baterie jeszcze bardziej i napięcie na nich przysiada podczas gwałtownych wzrostów poboru (i nie ma to nic wspólnego z rezystancją wewnętrzną o której pisałem wcześniej). Ten prąd może być za to prawie dowolnie szybko wyciągnięty z kondensatora.

Z indukcyjnościami jest dokładnie odwrotnie. Możesz dowolnie zmieniać napięcie na końcach cewki a tym razem to prąd jest "leniwy". Jest też oczywiście wypadkową napięcia po czasie (V*s) razy współczynnik zwany indukcyjnością. Jeżeli dany dławik ma dużą indukcyjność, to przyłożenie do niego napięcia spowoduje powolny wzrost prądu. W małym dławiku wzrost prądu będzie dla tego samego napięcia dużo szybszy. Dlatego dławiki włączasz szeregowo z płynącym prądem i wtedy rzeczywiście mogą służyć do stabilizacji jego wielkości. Nie na konkretnej wartości - bo dławik nie jest elementem aktywnym i nie będzie stabilizował np. prądu 1A, ale będzie się przeciwstawiał jego zmianom - jeżeli już coś w ogóle płynie.

Tak więc żaden z tych elementów nie służy do stabilizacji (w sensie utrzymania konkretnej wartości) prądu czy napięcia a jedynie do spowalniania zmian.

Kondensator w obwodzie zasilania de facto zapobiega szybkim zmianom napięcia poprzez dolewanie lub pochłanianie do/z szyny zasilania dowolnie szybko zmieniającego się, dodatkowego prądu. Ma jednak ograniczone możliwości, bo ma skończoną pojemność, ale dobierasz ją tak, by kondensator "zasypywał" tylko pierwsze chwile wzrostu poboru prądu. Chwilę później stabilizator "zauważa" zwiększony pobór i sam przestawia swój tranzystor kompensując opadające na kondensatorze napięcie. To samo w drugą stronę: gdy "rozpędzony" stabilizator wypuszcza z siebie dużo prądu i nagle obciążenie go nie potrzebuje, ten początkowo duży prąd przejmuje nagle kondensator przeciwstawiając się nieuchronnemu wzrostowi napięcia. Ponieważ jednak znów pojemność kondensatora jest skończona, napięcie na nim zaczyna rosnąć (ale dużo wolniej niż gdyby go nie było). To zauważa wreszcie powolny stabilizator i przytyka swój tranzystor.

Indukcyjność za to będzie zapobiegała szybkim zmianom prądu poprzez manipulowanie napięciem. Jeżeli obciążenie będzie chciało wziąć akurat więcej, indukcyjność obniży napięcie na wyjściu tak, by widziane (przez to bardziej zachłanne obciążenie) napięcie wyjściowe nie spowodowało wzrostu prądu. Niestety gdy pewnego razu obciążenie zechce brać prądu mniej, napięcie wyjściowe podskoczy.

Wszędzie w powyższych opisach słowa "wolny", "szybki" są względne. Mówimy o elektronicznych systemach zasilania więc czasy mikro- czy milisekund to normalka.

Są stabilizatory którym wystarcza różnica napięć we-wy rzędu setek mV. Wtedy z 9V możesz zrobić 8V, ale moim zdaniem takie zabawy z bateriami to strata pieniędzy. Kup najprostszy, regulowany zasilacz laboratoryjny a wszelkie kłopoty (z zasilaniem) się skończą. Wygląda, że się napaliłeś a taki przyrząd w domu hobbysty elektronika to obok multimetru (i paru innych rzeczy) podstawa pracy.

W czym będziesz grzebał?

Zasilacz swoją drogą. Chodzi mi o to, żeby dobrać odpowiednie zasilanie do gotowego układu, który ma chodzić na baterii.

Po przeczytaniu kilku artykułów o bateriach, zacząłem się wahać, czy jest sens używania baterii 9V (lub nawet dwóch 9V i stabilizatora LM7809). Może lepiej użyć 6 baterii AA. Albo nawet 3, czy 4 baterii AA i pobierać z nich większy prąd, jako że mają większą pojemność niż baterie 9V. Ale czy są bardziej stabilne?

Przede wszystkim zastanów się czy w ogóle potrzebujesz zasilania stabilizowanego. Szczerze mówiąc bardzo rzadko zachodzi taka potrzeba, by w prostych układach stabilizować całą szynę zasilania. Szczególnie w układach bateryjnych, niskomocowych trzeba tego unikać. Każdy stabilizator/przetwornica po drodze to czysta strata cennej energii z baterii. Może najlepiej będzie jak po prostu napiszesz co chcesz zrobić.

Owszem zdarzają się sytuacje gdy masz np. akumulator 12V a używasz procesora 5V. Wtedy coś tam trzeba wstawić, ale nie czuję, by to był ten przypadek. Źródło zasilania dobierasz zwykle tak, by pasowało 1:1 do największego odbiornika energii. Np. jeżeli masz silnik 12V to nie ma sensu dawać akumulatora 6V i przetwornicy podwyższającej lub aku 24V i układu obniżającego. Najlepiej wykorzystasz źródło gdy dasz w tym wypadku aku 12V a ew. logikę napędzisz z małego stabilizatora liniowego ew. przetwornicy w przypadku potężniejszego procesora np. z Linuxem.

Musisz też pamiętać, że baterie mają swoje ulubione zakresy obciążeń. Malutka 6F22 nie będzie zadowolona z prądu większego niż 100-150mA (choć go przeżyje) a już zwykły paluszek AA jest w porównaniu z nią mocarzem. Ma objętość kilkunastokrotnie większą niż jedno ogniwko 1.5V wydłubane z baterii 9V więc dużo więcej energii (pojemności) i możliwości czerpania większego prądu.

Jeżeli chemia w środku jest podobna (i to i to jest zwykle alkaliczne), to ch-ki wyładowania są podobne - to w kwestii "stabilności". To znaczy, że zarówno na początku "życia", na końcu jak i w 50% rozładowania stos złożony z 6 paluszków AA będzie miał podobne napięcie co 6F22 zrobiona z 6 malutkich ogniwek. Oczywiście to nie oznacza tych samych warunków użytkowania. Przy tym samym obciążeniu (np. 20mA) z baterii 9V pojedziesz trochę ponad dzień ciągłej pracy (550mAh) a ze stosu 6 paluszków AA dostaniesz prawie 6 dni zabawy (2800mAh).

http://www.tme.eu/pl/Document/d3b3edbc5c72954dbfb0ff1a6877282c/BAT-LR6_DR.pdf

http://www.tme.eu/pl/Document/8cb638a101a6e8b051bc6a3bb536d93b/BAT-6LR61_V.pdf

Oczywiście mówię tu o typowych produktach. Są baterie 9V o wiele silniejsze, ale kosztują 5 razy drożej.

Zauważ też, że producenci podają pojemności swoich baterii licząc, że będziesz je rozładowywał do bardzo niskich napięć, np. 9V do 6 lub nawet 4.8V a paluszki z 1.5V do 0.9 lub 0.8V. Nie możesz liczyć na stałość napięcia co z resztą widać na wykresach rozładowania: napięcie nominalne jest tylko na początku, potem spada w miarę równo a pod koniec pojemności spada już tragicznie szybko.

Dlatego stabilizacja liniowa 8V z baterii 9V nie ma sensu, bo wykorzystasz pewnie 10-20% jej pojemności a potem napięcie na wyjściu stabilizatora zacznie spadać. Albo robisz porządną przetwornicę obniżającą 9V na 3V i pracujesz na niskim napięciu albo robisz jeszcze porządniejszą dającą np. 6V z zakresu od 9V do 4V (tak, tak) lub.. godzisz się ze zmianami zasilania. To ostanie jest najtańsze, choć wymaga dobrego zaprojektowania układu. Dlatego wracamy do początku: co robisz i dlaczego (myślisz że) potrzebujesz stabilizacji?

Acha, i jeszcze jedno: ekonomia. Jeżeli Twój układ ma pobierać 10 czy 20mA a chcesz w nim użyć starego stabilizatora serii 78xx pobierającego "na własne potrzeby życiowe" podobnego prądu, to skracasz sobie czas pracy z baterii o połowę. To raczej zły wybór. Jeżeli użyjesz takiego, który sam z siebie pobiera np. 100uA, prawie nie zauważysz, że masz stabilizator w bilansie mocy.