¿Puedo encender un LED de potencia con un amplificador de potencia de audio?

Estoy tratando de hacer una luz estroboscópica LED rápida para mediciones periódicas visuales de mecanismos, objetos giratorios para ser específicos. "Diseñé" un circuito optoacoplador/MOSFET y un circuito transistor/MOSFET. Planeo tener un Arduino como fuente de señal estroboscópica de precisión, por lo que quiero limitar la corriente extraída de los pines digitales de arduino a +-10 mA. Después de simular ambos circuitos en LTSpice, vi que tenía que cambiar entre la corriente base y los tiempos de respuesta o la corriente de carga máxima. Tal vez haya una forma adecuada de diseñar tales circuitos, pero no soy un experto. Mi objetivo es hacer estroboscópico el LED con un mínimo de pulsos de 100 us en períodos de 1000 us. Mi objetivo es conducir un LED COB de alta potencia que consuma aproximadamente 1 A en 36 V (40 W nominales) para poder hacer una luz estroboscópica fácilmente visible.

Entonces me vino a la mente que, ¿por qué no podría usar un amplificador de audio? La frecuencia de conmutación que necesito es de alrededor de 10 kHz (1 s/100 us), y las impedancias de entrada del amplificador de audio son bastante altas, por lo que la salida digital de Arduino sería suficiente.

¿Es posible encender un LED estroboscópico con un amplificador de audio, con una señal de pulso hecha por Arduino en la entrada de línea? En caso afirmativo, ¿cómo sabría la ganancia de voltaje de un amplificador de audio clasificado por vatios a ciertas cargas de ohmios, para poder diseñar un voltaje de salida adecuado para impulsar el LED COB?

Editar: se agregaron esquemas y respuesta de corriente del LED, el LED se modela como una resistencia de 40 ohmios (R2):controlador transistor-mosfet corriente de carga R2

"El LED se modela como una resistencia de 40 ohmios" No lo haga. El Vf tendrá un papel importante aquí.
Está bien, me doy cuenta de que no es muy preciso, pero no conozco ninguna forma de incorporar las características IV del LED específico que planeo usar para ltspice. las curvas de subida y bajada habrían sido más pronunciadas en un led real, y esta es la única diferencia que ocurriría dentro de mi conocimiento limitado
No hay necesidad. Por lo general, solo hago trampa con diodos ideales en LTspice, o una combinación de silicio y Schottky para que coincida con el Vf que busco. Mi punto es que cualquier voltaje por debajo de Vf le dará cero corriente y, por lo tanto, cero luz.
De acuerdo, intentaré jugar con diodos ideales. Cualquier voltaje por debajo de Vf que me dé corriente cero en realidad causaría que el pulso fuera más corto, lo sé y me beneficiaría en la aplicación. Pero también en realidad, el COB LED que planeo usar comienza a consumir corriente a 33,3 V y sube a 38 V en clasificaciones máximas absolutas. No estaría completamente satisfecho con los resultados a menos que modele las características iv como se indica en la hoja de datos, por lo que pensé que la resistencia sería una suposición bastante cruda.
Que bueno que eres consciente de ello. Coloque una resistencia en serie para mantenerse dentro de la corriente pico máxima especificada en todos los niveles de salida.

Respuestas (3)

Creo que encontrará que un amplificador de audio es una mala elección como controlador de LED.

Está acoplado a CA, por lo que la salida oscila tanto positiva como negativamente con respecto a tierra. Por lo tanto, su LED deberá protegerse contra los semiciclos inversos para que tenga una vida útil prolongada.

La salida de un amplificador de audio es una fuente de voltaje de baja impedancia, los LED requieren una unidad de corriente constante o al menos alguna forma de limitación de corriente.

Si tuviera que usar un amplificador de audio (lineal), necesitaría un ancho de banda mucho mayor que 10 kHz para que el pulso no se distorsione seriamente, 10 kHz es solo el componente de frecuencia fundamental de un pulso de 100 us, y dependiendo de cuánta degradación puede pagar, creo que necesita una respuesta de frecuencia de alrededor de 100 kHz. ¿Qué tan frecuentes son estos pulsos de 100 us?

Un LED con limitación de corriente y protección de voltaje inverso presentará una carga seriamente no lineal al amplificador que puede que no maneje muy bien.

Por lo que puedo entender, está tratando de conducir el LED con pulsos de 100 us de ancho, por lo que la corriente estará completamente encendida o completamente apagada, solo dos estados. Por lo tanto, no necesita un amplificador lineal (de audio), solo un suministro conmutado.

¿Ha considerado una mejor amplificación entre el Arduino y el LED, utilizando transistores de mayor ganancia o una etapa adicional? ¿Es necesario el optoacoplador? ¿Podría publicar un diagrama de circuito y formas de onda de lo que está tratando de hacer?

Más tarde

Al mirar la hoja de datos del IRF1405, observo que VGS (th) (el voltaje de umbral de la puerta) está entre 2 y 4 V, agregue a esto la caída de 0.7 V Vbe del 2N2222 y apenas podría estar conduciendo el IRF1405 con 5 V suministrar. Y esto supone que la salida del Arduino llega hasta Vcc (5V).

Entonces, ¿por qué está utilizando una configuración de seguidor de emisor para impulsar el IRF1405? Conecte a tierra el emisor del 2N2222, agregue una resistencia de colector adecuada (digamos alrededor de 1K) y saque la puerta del IRF1405 de su colector. De acuerdo, su señal ahora se invertirá, pero un simple ajuste de software lo solucionará. En esta configuración, Ic del 2N2222 será de 5 mA y tiene una hfe> 50, por lo que una corriente base de 1 mA es mucho más de lo que se necesitará para llevarlo a la saturación y puede calcular la resistencia base en consecuencia.

No puedo encontrar un valor para VGS (máximo) para el IRF1405, pero la hoja de datos brinda características hasta tp 10V, por lo que la etapa 2N2222 podría ejecutarse desde un Vcc de 10V (si está disponible) para impulsar el IRF1405 más duro.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Arriba hay un diseño de "parte posterior de un sobre". ADVERTENCIA - ¡No está probado y puede contener errores!

Con la salida de Arduino a 0V, Q2 está apagado, V1 = 36V y por lo tanto Q1 también está apagado. V2 se conecta a tierra a través de R6 y M1 está apagado, no fluye corriente a través del LED.

Cuando la salida de Arduino cambia a +5V, la corriente base de Q2 está limitada a aproximadamente 1 mA por R1 y se enciende. La corriente del colector estará limitada a 2mA por R2 y Q1's Ib. V1 estará cerca de 0V (Vce sat). La corriente base de Q1 estará nuevamente limitada a alrededor de 1 mA por R3. Q1 se encenderá y R5 y R6 establecerán Ic en aproximadamente 3 mA y formarán un divisor de voltaje que define V2, el voltaje de puerta de M1, en 6,5 V. Permitiendo un valor nominal de 3 V para Vgs, V3 será de 3,5 V y, por lo tanto, R4 definirá la corriente, alrededor de 1 A, que fluye a través del LED. Tenga en cuenta que es posible que R4 deba ser una resistencia de alta potencia; bajo carga continua, disipará 3,6 W. Esto se reducirá por el ciclo de trabajo. ¡Pero espere humo mágico si enciende el LED continuamente con un componente de menor vataje!

El optoacoplador no es realmente necesario, al principio pensé que un poco de aislamiento sería bueno ya que cambiaré voltajes relativamente altos. No conozco ninguna otra forma de amplificación de potencia que no sea un mosfet impulsado por transistores. Se agregaron esquemas con el mejor circuito que pude encontrar y los resultados de la simulación para la corriente LED. Pude bajar a algunos pulsos aceptables de 15us ajustando las resistencias en el circuito, pero en realidad, ¿funcionará así? Tampoco publiqué otros resultados, pero las corrientes y las disipaciones de energía estaban por debajo de los límites para cada componente.
Sí, como también me di cuenta más tarde, el problema era el VGS del IRF1405. También encontré esa configuración invertida que propusiste, en Internet. Pero si el arduino de alguna manera retrasa el aumento de la salida al inicio, o el transistor falla, encendería el MOSFET por mucho más tiempo que un pulso corto. También planeo sobrecargar el LED más tarde, tal vez hasta 10x-100x de corriente nominal, por lo que creo que dejar el LED encendido durante más de unos pocos microsegundos sería catastrófico. Por eso quiero el interruptor MOSFET en una configuración normalmente cerrada.
@ÖmerGezer Entonces probablemente podría pagar 2 etapas de inversión (2 X 2N2222) para obtener la señal "en la dirección correcta". Todo tipo de posibilidades se presentan con esta configuración. Por ejemplo, conduzca un 2N2222 desde Arduino, un 2N2907 (PNP equivalente al 2N2222) como la segunda etapa del inversor con ambos transistores trabajando desde 30 V Vcc y resistencias elegidas adecuadamente para limitar las corrientes de base y colector y el voltaje de accionamiento (VGS).
Eso también tiene sentido, actualmente tengo una configuración aparentemente funcional que publiqué como respuesta a continuación, pero también tendré en cuenta el inversor dual. ¡Gracias!
"tiene un hfe> 50, por lo que una corriente base de 1 mA es mucho más de lo que se necesitará para llevarlo a la saturación" No. La saturación se nota para ganancias bajas. La regla general para llevar un transistor a la saturación es asumir una ganancia de 10 a 20, siendo 10 la suposición más generalizada y conservadora.
@WhatRoughBeast Point tomado, pero notará que solo estoy buscando una ganancia actual de 5 (base de 1 mA, colector de 5 mA) y requisitos de ganancia de corriente bajos similares en el diseño de "parte posterior de un sobre". Supongo que he hecho circuitos similares tantas veces en el pasado que lo hago inconscientemente.
¿Por qué R4 está por debajo de M1? Esto aumentará la tensión de accionamiento necesaria para superar Vgs + I*R4.
@winny Como dije, "V3 será de 3,5 V y, por lo tanto, R4 definirá la corriente, aproximadamente 1A, que fluye a través del LED". Sin R4 no hay nada que limite la corriente a través del LED aparte de la capacidad de la fuente de alimentación. Básicamente convierte a M1 en una fuente de corriente constante conmutada. Siempre deberá limitar la corriente a través del LED de alguna manera y, en consecuencia, el voltaje de la fuente de alimentación deberá ser mayor que la caída de voltaje directo del LED.
Lo siento, me perdí esa parte. Todo está bien.

Un controlador de luz estroboscópica LED en ese nivel de potencia necesita una atención significativa para administrar la corriente durante el período de pulso para evitar freír el LED y un tiempo de recuperación rápido después del pulso. Ninguno de los atributos está en el ámbito de un amplificador de audio, que por su naturaleza tendrá un ancho de banda limitado, por lo que funcionará mal en ambos aspectos.

Un controlador de tipo interruptor como el que está creando prototipos es un comienzo. Pero su conductor no está tan bien controlado. No puede aprovechar la posibilidad de impulsar con precisión el LED a niveles altos para lograr el brillo máximo.

Encontré un par de circuitos integrados que pueden hacer esto. No estoy recomendando un producto específico, sino que los muestro como ejemplos de diseños de sistemas para esta clase de problema.

IC #1: una solución de tecnología lineal (ahora ADI) para un LED pulsado de 3A destinado a la visión artificial. https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/led-driver-for-high-power-machine-vision-flash.html (ver datos: https://www.analog.com/media/ es/documentacion-tecnica/hojas-de-datos/LT3932-3932-1.pdf )

Este dispositivo producirá pulsos hasta el rango de microsegundos si necesita un flash corto.

IC #2: Aquí hay un diseño de referencia similar de TI: http://www.ti.com/tool/TIDA-01081

Sería perfecto usar un ic específico de aplicación, pero no puedo encontrar ningún proveedor en mi país que tenga estos productos en stock. Preferiría hacer el trabajo con componentes comúnmente disponibles.
@ÖmerGezer "no puedo encontrar ningún proveedor en mi país que tenga estos productos en stock" ¡ Tonterías! LT3932 está disponible en Mouser y Digikey y ambos se envían a todo el mundo. Tablero de evaluación también.
@winny, se envían a todo el mundo, sí, pero ¿por qué esperar 2 semanas si es algo que se puede lograr con componentes que puedo obtener de las tiendas a las que simplemente puedo ingresar? Además, siendo un aficionado, el uso de componentes discretos me daría una mejor comprensión de los conceptos básicos.
Lo tendrás de un día para otro o en dos días como máximo. ¿Estás en la escuela, entonces sí por todos los medios. Si trabajas en una empresa, el tiempo es esencial.

Después de investigar un poco más y tratar de mejorar mi circuito de interruptor MOSFET, me di cuenta de que el MOSFET que usé antes (serie IRF) no puede cambiar correctamente con 5 voltios provenientes del transistor. Así que encontré un modelo de especias para IRL540, lo reemplacé con el IRF. Y también en lugar de la resistencia desplegable, agregué un transistor PNP para bajar la puerta MOSFET lo suficientemente rápido. Ahora puedo obtener fácilmente pulsos de 0,5 us en el módulo LED según la simulación.

Podría abrir otra pregunta relacionada con este interruptor MOSFET impulsado por puente NPN / PNP si algo sale mal en el circuito físico.

¡Gracias a todos!

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