¿Es correcto el análisis de mi circuito? (CC, LED, controlador de LED, MOSFET)

Esto es lo que sabemos sobre el convertidor reductor de corriente constante:

• Proporciona una corriente de exactamente 700 mA desde su lado de salida, a través de cualquier carga que esté conectada entre$^+V_{OUT}$y$^-V_{OUT}$.

• Se alimenta con una tensión constante de 24V.

• Es 95% eficiente.

• Su voltaje de salida$^+V_{OUT} - ^-V_{OUT}$puede ser cualquier cosa entre 0V y$V_{IN} - 3V$, o 0V a 21V.

Dado que la eficiencia E es la relación entre la potencia de entrada y la potencia de salida, podemos representar esta relación como:

$$P_{OUT} = E \times P_{IN}$$

Usando la ley de potencia$P = I \times V$, y conectando lo que sabemos, esta es la fórmula que obtenemos:

$$\begin{aligned} I_{OUT} \times (^+V_{OUT} - ^-V_{OUT}) &= E \times I_{IN} \times V_{IN} \\ \\ 700mA \times (^+V_{OUT} - ^-V_{OUT}) &= \frac{95}{100} \times I_{IN} \times 24V \end{aligned}$$

Darse cuenta de$+V_{OUT}$y$-V_{OUT}$son desconocidos en este momento, ya que aún no hemos considerado la carga:

1. Todavía no sabemos qué valores tienen entre sí (la diferencia de potencial entre ellos), y

2. lo que es más importante, ni siquiera sabemos qué valores tienen con respecto a 0V (tierra) en el lado de entrada. Pueden estar completamente aislados de la entrada, información que debe obtener de la hoja de datos del controlador.

El punto (1) es resultado del hecho de que cualquier fuente de corriente constante ajusta su voltaje de salida para mantener la corriente requerida (700mA en este caso), y este será el voltaje que desarrolle la carga al pasar esa corriente.

Para su LED, parece ser de 17 V, que aumentará a medida que baje la temperatura del LED, y viceversa. Cuánto sube y baja ese voltaje con la temperatura es un parámetro que se obtiene de la hoja de datos del LED. Siempre que el voltaje directo de su LED nunca exceda los 21 V, esta unidad funcionará bien y la condición$I_{OUT}=700mA$Sera mantenido.

A partir de ahora, en vez de escribir$(^+V_{OUT} - ^-V_{OUT})$, me referiré a esta diferencia simplemente como$V_{OUT}$

Con un valor de$V_{OUT}=17V$, podemos volver a la$P_{IN}$contra$P_{OUT}$relación, para encontrar la última incógnita$I_{IN}$:

$$\begin{aligned} I_{OUT} \times V_{OUT} &= E \times I_{IN} \times V_{IN} \\ \\ 700mA \times 17V &= \frac{95}{100} \times I_{IN} \times 24V \\ \\ I_{IN} &= \frac{\frac{100}{95} \times 700mA \times 17V}{24V} \\ \\ &= 0.52A \end{aligned}$$

Ahora tenemos toda la información necesaria para calcular la potencia de entrada$P_{IN}$y potencia de salida$P_{OUT}$(potencia entregada al LED).

$$\begin{aligned} P_{IN} &= I_{IN} \times V_{IN} \\ \\ &= 0.52A \times 24V = \\ \\ &= 12.5W \end{aligned}$$

$$\begin{aligned} P_{OUT} &= I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ &= 700mA \times 17V = \\ \\ &= 11.9W \end{aligned}$$

Su diferencia será el poder$P_{DRV}$se desperdicia en la unidad del controlador:

$$\begin{aligned} P_{DRV} &= P_{IN} - P_{OUT} \\ \\ &= 12.5W - 11.9W \\ \\ &= 0.6W \end{aligned}$$

Todo lo anterior sirve para ilustrar las relaciones y cómo encajan con el comportamiento de un convertidor DC-DC. Sin embargo, es extenso y podría haberse reducido a algo muy simple:

$$\begin{aligned} P_{DRV} &= P_{IN} - P_{OUT} \\ \\ &= \frac{1}{95\%} \times P_{OUT} - P_{OUT} \\ \\ &= (\frac{1}{95\%} - 1) \times P_{OUT} \\ \\ &= (\frac{1}{95\%} - 1) \times I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ &= (\frac{1}{95\%} - 1) \times 700mA \times 17V \\ \\ &= 0.6W \end{aligned}$$

Volveré a escribir las ecuaciones de potencia del LED y del controlador aquí, para ilustrar mi siguiente punto:

$$\begin{aligned} P_{LED} &= I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ P_{DRV} &= (\frac{1}{E} - 1) \times I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ \end{aligned}$$

Desde corriente LED$I_{OUT}$es constante, y suponiendo que la eficiencia también permanece constante (cambio insignificante en todo el rango de condiciones de operación), puede ver que la potencia disipada en cada elemento es una función de$V_{OUT}$solo. Por lo tanto, para encontrar la disipación de potencia en el peor de los casos en el controlador y el LED, debe encontrar el valor en el peor de los casos de$V_{OUT}$.

En ambos casos, la potencia máxima es cuando$V_{OUT}$está al máximo y, como dije antes, deberá consultar la hoja de datos de su LED para averiguar cuál será. Ocurrirá a la temperatura más baja que espera que experimente su LED.

No creo que tenga que preocuparse de que la potencia del controlador aumente mucho en todo el rango de temperatura de funcionamiento del LED. Sin embargo, en el terrible caso en el que el voltaje directo total del LED aumenta a 21 V, el máximo que su convertidor puede proporcionar, la potencia disipada en el controlador y el LED sería:

$$\begin{aligned} P_{LED} &= I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ &= 700mA \times 21V \\ \\ &= 14.7W \end{aligned}$$

y

$$\begin{aligned} P_{DRV} &= (\frac{1}{E} - 1) \times I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ &= (\frac{1}{0.95} - 1) \times 700mA \times 21V \\ \\ &= 0.77W \end{aligned}$$

En cuanto a su referencia a un MOSFET, no puedo ver nada en su pregunta de qué MOSFET está hablando. Supongo que quiere decir que desea encender o apagar el LED usando un transistor externo. Aquí están mis pensamientos sobre eso:

• ¿Por qué hacer eso cuando tiene una entrada de encendido/apagado digital en el controlador?

• ya que no se si$^+V_{OUT}$y$^-V_{OUT}$están aislados, o en otras palabras, si hay un terreno común y de qué lado está, la practicidad es cuestionable.

• Es mejor que esté muy seguro de cómo se comportará su conductor cuando la carga se conecte y desconecte de esta manera. Incluso podría desanimarse. Nuevamente, la hoja de datos es tu amiga.

Cuando aplico 5V a la puerta del MOSFET, tiene un RDSon de 25 mOhms ( https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/BUK9Y29-40E.pdf ). Dado que el voltaje en el MOSFET es V = IR, V = (0,7 A)(0,025 ohmios) = 0,0175 V de caída en el MOSFET.

¿Necesitas un MOSFET? El conductor tiene un control de encendido/apagado. En lugar de cortar la alimentación del controlador, simplemente puede apagarlo.

Entonces, en el punto B del esquema, el voltaje (cuando el MOSFET está encendido) será de 24 V - 3 V = 20 V.

La hoja de datos no lo dice, pero es probable que este sea un controlador aislado, por lo que no existe una ruta de CC entre el suministro/tierra y el controlador actual. Por lo tanto, no puede decir cuál es el voltaje en el controlador en relación con la entrada. Dado que el voltaje es flotante, podría ser 0, -24, +50 o cualquier otro valor relativo a tierra.

Entonces, en última instancia, mi LED recibirá 20 V a 0.7 A de corriente. El voltaje directo del LED es de 17,2 V, por lo que en el punto C de mi circuito, el voltaje será de 20 - 17,2 = 2,8 V. Entonces, en efecto, ¿habrá 2,8 V de voltaje sobrante o no utilizado, por así decirlo?

Creo que estás malinterpretando el significado de corriente constante. Las fuentes de corriente constante, como los controladores LED, están diseñadas para detectar la corriente a través de la unión del diodo y ajustar el voltaje para impulsar la corriente establecida. En este caso, si su LED tiene un Vf de 17,2 V a 700 mA y configura el controlador en 700 mA, entonces el voltaje en el diodo (no relativo a tierra) será de casi 17,2 V. A medida que el diodo se calienta y el voltaje directo cae, el controlador reducirá el voltaje para compensar de manera que la corriente se mantenga constante.

Estoy confundido sobre cómo determinar la potencia/calor disipado por el controlador LED. Si la caída de tensión en el controlador LED es de 3 V y la corriente de 0,7 A fluye a través de él, entonces P = P = VI = (3)(0,7) = 2,1 W.

Está analizando esto como si fuera un regulador lineal (básicamente, una resistencia), pero este es un convertidor Buck, por lo que el voltaje/corriente de entrada se está transformando. La caída de voltaje en el controlador es lo que esté suministrando (24 V). La corriente a través de él dependerá de la carga.

Pero la hoja de datos también indica que la eficiencia del controlador LED es del 95 %. ¿Significa eso el 95% de la potencia de carga total? En este caso, la carga (LED) está consumiendo P = VI = (17.2)(0.7) = 12 W, por lo que el controlador LED disipará el 5% de esto como calor, lo que sería 12 * 0.05 = 0.602 W.

Significa que el 95% de la potencia consumida por el conductor se suministra a la carga. Entonces, si la carga recibe 10W, entonces el controlador debe recibir 10/.95 = 10.5W. Por lo tanto, se disipa 0.5. Es poco probable que necesite enfriar un controlador LED a niveles de potencia tan bajos.

En cuanto al LED, como mencioné, tiene un voltaje directo de 17,2 V y una corriente de 700 mA a una temperatura de prueba de 85 C. Según tengo entendido, si utilizo suficiente disipación de calor para mantener la temperatura del LED en 85 o menos C, entonces el análisis anterior será válido y el voltaje directo se mantendrá en alrededor de 17,2 V.

Si el voltaje directo se especifica en 85C y tiene la intención de hacerlo funcionar más frío, entonces tendrá que suministrar más voltaje. Afortunadamente, el máximo que su controlador puede suministrar es de 21 V, por lo que tiene algo de voltaje de sobra.