Bombeo de unos pocos amperios durante 100 µs

Me gustaría bombear 4-5 A a un LED de alta potencia durante 100 µs. Mi sistema solo tiene una batería de 3,3 V y este evento de alta potencia de 100 µs se produce una vez cada 10 segundos.

¿Cuál es la mejor manera de hacer esto sin alterar las baterías?

La respuesta a continuación es muy buena. Sin embargo, estoy buscando un esquema que pueda usar y probar.

Requisitos más exactos:

  • Batería: Li-ion
  • Corriente 5A
  • Duración del pulso: 100 µs
  • Tiempo de subida del pulso <100 ns
  • Tiempo mínimo entre pulsos 10 ms
  • Los pulsos se controlan con un GPIO 3.3 VI/O desde un controlador
  • La caída de tensión en el LED es de 3,5 V. Lo ideal sería poder poner tres o más en serie (caída de tensión de 10,5 V)
  • Ficha técnica del LED

Pregunta extra

Si tiene una mejor recomendación de LED con un ángulo grande que está en el rango invisible, hágamelo saber.

He implementado este proyecto y funciona bien, excepto por la corriente de fuga. No importa lo que intenté, no pude deshacerme de la fuga. Probé algunos tipos de amplificadores operacionales para agregar una resistencia desplegable a la salida del amplificador operacional, etc. Terminé apagando el amplificador operacional para cortar la fuga. Funciona, pero no es muy limpio. Me encantaría escuchar lo que los expertos piensan de la situación.

¿Qué tipo de batería?
Solo por curiosidad: ¿por qué necesita pulsar un LED de alta potencia durante tan poco tiempo?
@clabacchio tomaré una foto en ese momento... es un flash infrarrojo
Batería recargable de iones de litio @stevenvh. capacidad de energía desconocida en este momento.
¡Impresionante! También tengo curiosidad sobre cómo tomarás la foto :)
@clabacchio, el sensor de imagen que estoy usando tiene un pin de salida de LED que controlará este LED. Nada de eso realmente.
¿Tiene acceso a voltajes superiores a 3,3 V?
Además, un enlace a la hoja de datos del LED sería genial.
@Telaclavo, planeo hacer funcionar el sistema con una batería de iones de litio, por lo que la respuesta a su pregunta sobre el voltaje es no.
@Ktc: ¿puede informarnos si las respuestas actuales contienen suficientes detalles? ¿Hay más cosas que necesitas en las respuestas?
@Rocketmagnet, la respuesta que ha proporcionado no es satisfactoria. Los problemas que veo son: Tolerancia del inductor (en la fabricación, esto será un problema importante), el tiempo de subida es muy largo, la falta de resistencia limitadora hace que este error sea muy propenso en el campo. Estoy buscando una solución muy robusta, esto no me da la sensación de ser sólido como una roca. Por favor, corríjame si me equivoco, no tengo más que el deseo de resolver este rompecabezas del circuito.
@Ktc: para dar una mejor respuesta, necesitaré tener una especificación precisa para: tiempo de aumento actual, corriente máxima y mínima permitida durante el pulso, ¿es importante la eficiencia, es 100Hz la frecuencia de pulso máxima sostenida?
El tiempo de subida de corriente de @Rocketmagnet es según las especificaciones de LED. Está en el rango de 10 ns, necesitamos observar esto. La corriente máxima durante el pulso es 5A, la mínima es realmente lo que podamos lograr, idealmente debería estar cerca de 5A. Creo que la eficiencia no es crítica en esta etapa. Con respecto a la frecuencia de los pulsos, probablemente serán dos pulsos consecutivos muy rápidos (estoy tratando de construir el prototipo para probar esto) 10uSec encendido, 80usec apagado, 10 usec encendido. Más tarde, el próximo tren de pulsos no será de otros 100 mseg. Entonces, el ciclo de trabajo es muy, muy bajo, pero necesito encender/apagar los LED muy rápido dos veces. (Diferente a mi pregunta :()
@Ktc: el tiempo de subida de 10 ns para 5A es muy optimista. ¿Realmente necesitas esto?
@Rocketmagnet Probablemente no. Originalmente, estaba pensando en usar un solo pulso con 100usec, ahora estoy pensando en usar dos pulsos, 10usec cada uno, en el peor de los casos con 80usec de diferencia. Es por eso que estoy tratando de exprimir el tiempo de aumento del pulso, pero probablemente cualquier cosa por debajo de 1useg esté bien.
@Ktc¿Por qué necesita exprimir el tiempo de subida? ¿Tienes que tomar una foto tan rápido? Tal como lo veo, el tiempo de subida no debería afectar a la imagen, y el obturador más rápido que puedo imaginar es unas decenas de microsegundos.
@clabacchio Este tiempo de subida es necesario para esta aplicación.
@Ktc Probablemente me falte comprensión, pero tienes que tomar una foto infrarroja en una ventana de 2us, ¿verdad? ¿Y por qué el flash no puede estar encendido todo el tiempo?
Hola chicos, este es otro caso en el que una Q no da el resultado final y pregunta cómo impulsar un foro. (lo siento mal juego de palabras) Cuando me preguntaba de dónde venía el pulso, pensé que era PIC pero era 3.3V IO GPIO pero los recargables de iones de litio son de 3V. Peor aún, GPIO es una salida UART y la banda base IR UART NO es el camino a seguir. Obtenga este receptor y este emisor de infrarrojos simple , puede ejecutar UART 50 metros con una unidad de 100 mA a LED en lugar de 5000 mA. no tienes
@Ktc: ¿puede informarme sobre las actualizaciones que he realizado en mi respuesta?

Respuestas (4)

Esta es la forma más eficiente que se me ocurre para hacerlo. Hay una bomba de carga MAX1682 para darle 6.6v en el supercondensador. El duplicador de voltaje es bastante eficiente, probablemente más del 90%, pero no pueden suministrar grandes corrientes. Pero, ¿cuál es la corriente promedio?

5A * 100us / 10s = 0.05mA.

Eso está dentro de la especificación de 45 mA del MAX1682.

Tras un breve vistazo a la hoja de datos, no pude ver ninguna razón por la que no funcionaría con un condensador tan grande para C2.

Gracias a Russell McMahon por sus consejos sobre la eficiencia de la bomba de carga. Parece que una solución basada en inductores sería más eficiente, pero requeriría más componentes. Echa un vistazo a algo como MAX17067 . Esto también tiene la ventaja de que puede producir el voltaje más alto requerido por tres LED en serie. Lo agregaré al esquema esta noche.

Destello 1

Ahora lo importante. Notarás que no hay una resistencia limitadora de corriente. La MCU realizará la limitación de corriente al peligroso estilo de bucle abierto. Tendrás que hacerlo bien mediante cálculo o ensayo y error (o ambos).

Al suministrar PWM a la puerta de Q2, podrá usar el inductor como un limitador de corriente eficiente. Pero no obtendrá una corriente muy confiable de esta manera. Puede que no importe mucho, siempre y cuando 1) se suministre suficiente potencia al LED en 100us, y 2) no se supere el límite de corriente del LED.

Aquí hay una simulación que hice en Altium. Usé un inductor de 5uH (no el de 10mH que se muestra en el esquema). Y proporcioné a PWM 12 us a tiempo y 3 us fuera de tiempo hasta la puerta. No usé el capacitor de 100uF, solo una fuente de voltaje fijo en su lugar. Por lo tanto, podría esperar cierta caída actual.

Control de corriente con inductor y PWM

El rojo es la corriente en amperios y el azul es la señal PWM. Puedes ver que te acercas a 5A en 20 us y te mantienes bastante cerca después de eso.

Si desea una mejor regulación de corriente, puede agregar una resistencia de detección y usarla para retroalimentar al MOSFET.

Destello 2

Aquí tenemos una resistencia de detección de corriente de 0,5 ohmios. En 5A, esto debería darnos 2.5v a la entrada negativa del comparador. Esto se compara con el valor del bote. Si la corriente es demasiado alta, el comparador se apaga y viceversa. La velocidad de conmutación variará dependiendo de la histéresis del comparador. Si la velocidad es demasiado alta, puede aumentar la histéresis (y disminuir la velocidad de conmutación) agregando una resistencia de unos cientos de k entre la salida del comparador y su entrada +.

Nota: Debe utilizar un comparador de alta velocidad (<0,1 us de retardo de propagación) con salida de drenaje abierto. Puede mirar el LMV7235 que está disponible en Farnell por aproximadamente una libra.

Agregado:

Los circuitos anteriores asumen solo un LED. Si aún desea usar 3 en serie, puede usar dos MAX1682 para obtener 13.2v.

Además, muchas gracias a Telaclavo por sus consejos al respecto.

Agregado:

OP ha declarado:

  • Quiere un tiempo de subida muy rápido en la corriente.
  • No me interesa la eficiencia
  • Habrá un solo pulso, o dos pulsos separados por 80 us, luego una pausa larga
  • Quiere un circuito simple y robusto.

Aquí hay un circuito que es un regulador de corriente lineal . Esto solo es factible porque el ciclo de trabajo es muy bajo. Es probable que este circuito sobrecaliente el transistor si el ciclo de trabajo es demasiado grande.

Destello 3

Pensamientos:

  • Un alto voltaje de la MCU o 555 encenderá el LED. Un bajo voltaje lo apagará.
  • Establezca la corriente usando el divisor de voltaje, o colóquelo en una olla para que sea ajustable. O use un potenciómetro digital o DAC para que la MCU pueda variarlo.
  • En el esquema, la corriente se establece en 3.3A. Puedes configurarlo como quieras.
  • Dibujé solo un LED, pero está destinado a representar tres LED.
  • Si usa solo un LED, ajuste el voltaje de salida del regulador de refuerzo más bajo en consecuencia.
  • Sugiero un generador de pulsos basado en 555 por razones de seguridad, por lo que sería bastante difícil dejar la corriente encendida
  • También puede hacerlo más seguro eligiendo un regulador de impulso que tenga un límite de corriente. Entonces, incluso si el flash se deja encendido, el regulador simplemente limitaría la corriente de todos modos.
  • No puedo decir cuál será el tiempo de encendido. Esto dependerá de la inductancia de su cableado.
  • Debe diseñar la PCB con cuidado para evitar EMI.
Tenga cuidado, el Q1 que dibujó tiene su fuente a la izquierda (conectado a C2). Los MOSFET de silicio del mundo real tienen un diodo parásito que va de S a D, por lo que Q1 siempre conducirá. Incluso si lo voltea horizontalmente, será difícil encenderlo, porque ninguno de S y D están conectados a tierra. También hay otros problemas. Demasiado tarde aquí. Comentaré mañana.
@Telaclavo - He actualizado los esquemas. Espero que estén correctos ahora. Por favor dejame saber lo que tu piensas.
1) El LED no puede soportar 5 A por más de 100 us. Con estas topologías, es imposible proporcionar solo un pulso corto (5 A, 100 us) a la carga. 2) Su segundo esquema (el que tiene el comparador) no proporciona una señal PWM al PMOS. El PMOS podría terminar no encendiéndose, sino encendiéndose parcialmente, lo que hace que se disipe demasiado (dada la tasa de 5 A). 3) 5 A a través de RSENSE significaría 12,5 W en él.
@Telaclavo - Vaya, sí. Olvidé agregar una señal de la MCU en la segunda.
@Telaclavo: 12,5 W en la resistencia solo el 0,001% del tiempo = 0,125 mW.
Pensé que querías mantener el buck siempre encendido (porque, por lo general, esos no son bloques que se pueden encender y apagar muy rápidamente). Bien, de hecho desea proporcionar pulsos cortos, encendiendo/apagando todo el bloque. Podría funcionar, pero la retroalimentación debe ser muy rápida y precisa porque, dado el bajo valor de L1 y (por lo tanto) el alto dI/dt que tiene, puede quemar el LED, el inductor o el PMOS si su la retroalimentación reacciona un poco tarde. Además, R1 debería ser más bajo, para descargar Cgs en mucho menos de 3 us (que es su tiempo libre).
@Telaclavo: la frecuencia de conmutación es de solo 66 kHz, que es muy lenta para un regulador reductor. Ciertamente es posible porque yo mismo he tenido esto funcionando.
Un capacitor que carga un capacitor será relativamente ineficiente si el voltaje del capacitor de la bomba cae en un porcentaje sustancial durante la descarga o la carga. (Calcula 1/2CV^2 antes y después del alta y sorpréndete). La mejor eficiencia se obtendrá con un regulador de conmutación que utilice un inductor.
@RussellMcMahon - Bueno, también si la tasa de flash es en realidad de 10 ms, entonces esto pone la corriente promedio en 50 mA, que es más de lo que MAX1682 puede manejar.
@RussellMcMahon: esta calculadora de bomba de carga es bastante interesante. Si lo estoy usando correctamente, la eficiencia parece depender mucho de la corriente de carga. ¿Supongo que eso es lo que quisiste decir?
@Rocketmagnet, ¿qué tal esta solución Exar ( exar.com/power/led-lighting/regulators/step-up-down-regulators/… ) con súper tapa? Desafortunadamente, la solución no puede cronometrar los pulsos, pero tal vez eso se pueda hacer con el mosfet externo y el mecanismo de control secundario. Todo lo que propongo es insertar mosfets antes de los LED y controlar esos mosfets en función de la sincronización del pulso.
Esa solución no puede proporcionar suficiente energía. Es solo 1.45A por LED. Querías 5A por LED.
@Rocketmagnet hay una versión (creo que 1 canal) que puede bombear 4.5A. Suponiendo que puedo obtener una salida de 5,6 V, puedo poner dos LED en serie. El problema es iniciarlo y detenerlo. Este ic está diseñado de manera que no puedes detener la luz.
@Ktc - Pero dijiste que necesitabas 5A. Ahora estoy confundido acerca de la especificación. ¿Cuál es la tolerancia real en la corriente? Si solo puede aceptar 4,5 A, ¿por qué no puede aceptar un tiempo de subida más bajo?
@Rocketmagnet No soy tan preciso, tiene razón, 4.5A significaría una salida de luz más baja, no preferida, pero un compromiso que uno podría aceptar si la solución es sólida.
@Rocketmagnet Gracias... Usted solicitó comentarios. Traté de simular el circuito anterior sin buen éxito. Sin embargo, entiendo el circuito, el amplificador operacional y la naturaleza de corriente constante del diagrama. ¿Podría explicar qué quiere decir con cableado? Estos son LED SMT.
@Rocketmagnet Construí esto hoy en el protoboard. El circuito es extremadamente sensible al voltaje en IN+. Si toco con la mano IN+, el LED se enciende. La verdad es que no pude apagarlo cuando uP está conectado. Pulsar una corriente alta resultó ser difícil. Usé MCP6021 como amplificador operacional. VN10LP de Diodes como el mosfet (lo tenía, no usé BJT). 1 ohm como RSense y el LED en cuestión. No pude hacer que latiera como yo quería. (Veo el pulso en IN+ pero no en el LED, probé varios tamaños de pulso, sin suerte) Necesito mirarlo pero parece que el circuito necesita más trabajo.
@Rocketmagnet también, si corto IN- a 5V, veo un pulso súper brillante. De alguna manera, supongo que la selección opamp o la selección mosfet no fue óptima. Pasaré más tiempo el lunes para elegir mejores componentes, quizás también intente con BJT.
@Ktc: digo cableado porque no sé casi nada sobre la aplicación. Debe haber algo de cobre desde los LED hasta el resto del circuito, incluso si se trata de una pista de PCB. Deberá tener cuidado de que esto no cause EMI.
@Ktc - ¿Actualmente estás usando un FET? El circuito recomienda un BJT.
@Rocketmagnet esto es esencialmente un circuito de corriente constante. Creo que no hay diferencia entre BJT y Mosfet. En cualquier caso, actúan como resistencias variables.
@Ktc: lo único es que, con un FET, hay muchas más formas de elegir el incorrecto. Un BJT realmente solo necesita ser NPN. Por supuesto, la forma aún más sencilla de hacer esto es simplemente con una resistencia limitadora de corriente. Pero entonces podría ser un poco demasiado sensible a la variación en la caída de voltaje directo del LED.

Esa es una potencia promedio de

Potencia = 5A × 10,5 voltios × 100 m s/10 ms = 0,525 W.

La potencia promedio es fácil para casi cualquier batería. Solo necesitas una tienda para acomodar el pulso.

Un capacitor que "caerá" digamos 0.5V en 100 m s tiene que ser

do = yo × t/V = 5 A × 100 m s/0,5 V= 1000 m F.

Un supercap funcionaría bien aquí si la clasificación de voltaje está bien.

E&O

¿Qué es "E&OE"? :)
¿Por qué un supercap sería mejor que un electrolítico ordinario?
E&OE = errores y omisiones excluidos. (un descargo de responsabilidad genérico)
Como dice @Madmanguruman, excepto errores y omisiones, PERO tiendo a usarlo solo cuando he estado dando vueltas de forma rauda con potencias de 10 o escribiendo ecuaciones de mi cabeza y puede haber (estúpidamente) puesto I en la parte superior en lugar de la línea inferior de una ecuación. o se perdió o agregó un 0 más o menos. es decir, el principio es lo que importa, comprueba mi aritmética antes de depender de mi respuesta.
@FedericoRusso: un supercap capaz de tener una mejor capacidad de descarga para su capacidad. Esto puede no ser universalmente cierto, pero tiende a serlo.
@RussellMcMahon Tiende a ser cierto, pero hay suficientes variaciones en los supercapacitores que debe leer la hoja de datos para estar seguro. Algunos s-caps están diseñados para respaldo RTC, con menor fuga y mayor resistencia en serie. He visto algunos creadores de s-cap que tienen gráficos que muestran el valor de capitalización en un eje y la resistencia de la serie en el otro. Esto hace que sea realmente fácil averiguar qué línea de productos usar.
¿Algún diseño de referencia que pueda usar?
Si pudiera agregar un diagrama esquemático de referencia de cómo hacer que esto funcione, me gustaría asignarle la recompensa. Gracias KTC
C no es I × V × t. Es I × t / V. Corregí eso, y también los "10 s" y "4 V".
@RussellMcMahon: en el cálculo de potencia, ¿quiso poner 10 ms o 10 s?
@Rocketmagnet lo había editado. El valor actualizado del OP es de 10 ms. El "0.525 W" corresponde a 10 ms, si eso es lo que está preguntando.
Correcto. ¡La publicación ahora dice 10 ms y 10 segundos! Solo noté el de 10 segundos.
Russell tiene alguna posibilidad de que apuñales el esquema
@ktc: intentaré verlo. Su especificación de ajuste y extensión lentos significa que se está volviendo más complejo. || 10 uS = 1.000 batidos. Pueden pasar muchas cosas en ese tiempo :-).
Gracias Russell. Es un experimento, estoy pensando en una idea y me gusta construir un prototipo. En el momento en que hice la pregunta y en el momento en que obtuve las respuestas, aprendí mucho, lo que me empujó a cambiar ligeramente la pregunta. Lo siento por eso, al final estoy realmente tratando de aprender.
@Ktc - No te preocupes por eso. Entiendo que a veces un cambio de especificación es inevitable.

Considere la resistencia en serie efectiva (ESR) involucrada y la pérdida en la transferencia de potencia.

En el peor de los casos, los niveles máximos de entrada:

  • Corriente directa de sobretensión, tp = 100 μs
  • IF = 5 A Vf = 3,5 V nominal!!
  • IF = 1 A Vf = 2,0 V nominal 2,5 V máximo
  • Si = 0,2 A Vf = 1,5 V nominal

También a partir de las especificaciones del LED, calcule ESR [mΩ]

Vf... Si[A]... . . . delta V/delta I

  • 3.5 . . . 5
  • 2.8. . . 3 . . . 0,7/2 => 350 mΩ
  • 2.0 . . . 1 . . . 0,8/2 => 400 mΩ
  • 1.5 . . . 0.2 . . . 0,5/0,8 => 625 mΩ
  • 1.1 . . . 0.001 . . . 0,4/0,2 => 2000 mΩ

(Estimación bruta de ESR)

  • La ESR cae dramáticamente a medida que aumenta la corriente.
  • Desea una fuente de alimentación con un condensador y un interruptor ESR <~10 % de 350 mΩ = 35 mΩ.

Ahora vaya a buscar un capacitor de baja ESR adecuado y cambie el total.

Tal vez desacople el ESR de la batería con un estrangulador para limitar la corriente dentro de sus especificaciones. Y use un fusible adecuado para evitar fallas en la batería.

  • Estos son interruptores de $0,40 de bajo ESR < 15 mΩ con un variador de 10 V 35 A [FDD8778CT]
  • Estos son capacitores de $0.40 de bajo ESR ~7 mΩ , CAP ALUM 68 µF 16 V 20% Agujero pasante
  • Elija un valor µF más grande según sea necesario.

Suponiendo que pueda administrar la carga de las baterías de iones de litio, elija 4 celdas de 3 V para 12 V a través del LED y una serie de interruptores por encima del suelo.

Puede conducir con 5 V o mejor 12 V para que el transistor pueda amplificar 3 V para obtener 12 V para impulsar el MOSFET para obtener 5 A de tres LED de 11,5 V, con una caída de 0,5 V de la fuente de iones de litio de 12 V . Debe diseñar el límite de corriente general con una ESR de la cadena más una resistencia adicional para optimizar los valores, es decir, una caída de 0,4 V a 5 A < 100 mΩ de resistencia no bobinada.

El capacitor atraviesa la cadena de baterías de iones de litio con quizás un microfusible y un estrangulador de ferrita insertados para una buena práctica.

¿Puede ejecutar el PIC desde la batería de iones de litio más baja de la cadena a 3 V? Con 3x LED de 12 V con un controlador de compuerta de 12 V y pulso de fusible controlado de 5 A a los LED.

¿Tienes la foto?

Ingrese la descripción de la imagen aquí

El enlace de la tapa no funciona. Tony, ¿te importaría sugerir un circuito para hacer esto?
Si prefiere tapas de orificio pasante , busque en digikey.com/us/en/products/RR71C680MDN1/493-3715-ND/… aquí hay una de 7 mΩ y barata en stock. Use los filtros de Digikey para ordenar por ESR, stock o precio y seleccione el rango de ESR, voltaje y uF que desee... muchas soluciones en stock
Tony, gracias por esto. Sin embargo, no estoy lo suficientemente avanzado como para comprender algunos de estos sin un diagrama de bloques esquemático o de alto nivel. Por eso pedí amablemente un circuito para poder discutir mejor.
¿Cuál es la velocidad y la distancia general del canal de comunicación? ¿Solicitud?

Un ladrón de Joule puede ser la respuesta a su problema: es una especie de convertidor elevador, donde abre un circuito con un inductor en serie para crear un alto voltaje. Dado que la energía es entregada por el inductor, no es necesario que suministre la corriente directamente desde la batería.

Debe ajustar el circuito para alimentar el LED con la corriente adecuada cuando sube el voltaje.

Interesante... Una solución que solo use un Cap sería probablemente mucho más fácil de administrar.
tal vez, pero no veo cómo regularías la corriente usando solo condensadores.
@Ktc, el problema es que usted (presumiblemente) tiene una carga fija, por lo que la forma de darle una gran corriente es causar un gran voltaje; ese es el trabajo del ladrón de Joule. La otra oportunidad, como dice Steven, es almacenar la carga en un capacitor y luego cambiarlo. Pero dependiendo del LED que esté utilizando, el voltaje puede no ser suficiente
Un Joule Thief debería funcionar para cargar un capacitor que luego descarga en tres LED de serie con una configuración de transistor de corriente constante para entregar la corriente constante de 5 amperios.
Bombeo de unos pocos amperios durante 100 µs
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