¿Un espejo de corriente evitará la fuga térmica de estos LED en paralelo?

Espejo de corriente que garantiza el mismo flujo de corriente de ambos LED

La fuente es un controlador LED de corriente constante. Descubrí que conectar los LED en paralelo provocaba un desbordamiento térmico: un LED consumía casi toda la corriente y su temperatura aumentaba constantemente y el otro LED se apagaba sin apenas flujo de corriente y se enfriaba. Sé que si se permite que continúe, el LED en fuga térmica eventualmente se destruiría y esto haría que el segundo LED consumiera toda la corriente, dañándolo.

¿La conexión de las ramas paralelas a un espejo actual resolverá este problema? Tengo entendido que la corriente en el espejo se configura en Q1 y se refleja en Q2 (y cualquier rama adicional). Por lo tanto, si la corriente que fluye en Q1 aumentara, también aumentaría en las ramas reflejadas.

Sin embargo, debido a que es alimentado por una fuente de corriente constante, ¿evita esto que aumente la corriente en Q1?

Si conecto una tercera rama, ¿esta solución seguirá proporcionando la misma corriente a todas las ramas?

Como señala Neil, los espejos de corriente tienen una relación 'amo-esclavo'. evitará el desbocamiento de un solo led. si es posible, pon los leds de serie i.
Este arreglo exacto se usa en algunas pantallas de teléfonos donde hay varias cadenas de LED de retroiluminación. El voltaje del colector está dispuesto para que sea de aproximadamente 1 V en Q1.
Controladores LED de corriente constante, sin embargo, no use una de las cadenas como transistor maestro, sino una separada que esté polarizada a través de una resistencia, por ejemplo. luego, todas las cadenas usan uno de cada transistor esclavo que refleja la corriente del maestro (generalmente con una ganancia fija).

Respuestas (4)

Un espejo de corriente solo puede servir la corriente de salida si tiene el margen de voltaje (cumplimiento) para hacerlo.

Si D2 tiene una caída de voltaje más baja e intenta acaparar la corriente, entonces Q2 reducirá su corriente mediante la acción del espejo actual.

Si D1 acapara la corriente, Q2 no podrá aumentar la corriente a una caída mayor D2, está fuera del voltaje de cumplimiento.

Hay varias soluciones posibles. No estoy convencido de que la primera y la segunda ofrezcan suficiente eficiencia energética y mejoras en el rendimiento en comparación con la tercera versión muy simple para que valga la pena su complejidad adicional. Tendría que simularlos cuidadosamente, con desajustes térmicos y de LED, para ver cuál es mejor para usted.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

En la primera opción, tratamos de evitar la asimetría presente en el espejo actual que has mostrado. R1 y R2 pueden tener valores bastante bajos. R11 y R12 pueden ser cero, en cuyo caso confiamos en la coincidencia de VBE y la temperatura actual de los dos transistores. O R11 y R12 pueden ser finitos, lo que una vez que caen unos cientos de milivoltios, elimina el problema de la falta de coincidencia del transistor. Este arreglo tendrá una caída de voltaje mínima de VBE, y algo más para las resistencias.

En la siguiente opción (no bien pensada), estamos usando una corriente baja definida por R3 (si está controlada por voltaje) o D13+R23 (si está controlada por corriente) para controlar dos corrientes idénticas más grandes en los dos LED. Necesitamos valores finitos de R13 a R15 para efectuar la multiplicación actual, dejando caer al menos unos pocos cientos de milivoltios. Solo podemos establecerlos en cero si relacionamos las áreas del transistor y hacemos coincidir sus temperaturas, lo que no es realmente práctico con dispositivos discretos, pero a menudo se hace en circuitos integrados monolíticos. Gracias a SimonFitch en los comentarios, la caída de voltaje mínima con este arreglo será Q4/5 VCEsat + resistencias (no como sugerí primero VBE + resistencias). También tenemos algo de corriente 'desperdiciada' a través de R3. Sin embargo, si ese bajo voltaje se puede alcanzar de manera confiable en la práctica depende de hacer coincidir el nivel de transmisión con los componentes.

En la tercera y más simple opción, decimos que si las opciones uno y dos van a sufrir alguna caída de voltaje de todos modos, olvidémonos de los transistores por completo y simplemente dejemos caer varios cientos de milivoltios a través de resistencias tontas, que si los LED son del mismo lote y en el mismo entorno térmico dará como resultado una coincidencia de corriente razonable.

La cuarta opción, mejor rendimiento y mejor eficiencia, es usar un controlador de corriente por LED. Sin margen de tensión desperdiciado, control ideal de ambas corrientes de LED.

¿Habrá necesariamente "al menos una caída de Vbe" del colector a tierra en el segundo caso? Tengo la impresión de que habrá un par de cientos de milivoltios del colector al emisor cuando estén casi saturados, y luego también debe agregar la caída de la resistencia del emisor, pero ese total puede ser menor que Vbe.
@SimonFitch Bien visto. Q3 es 'menos VBE', pero Q4/5 no lo son. Actualizaré

Sí, esto funcionará en principio.

En la práctica, con transistores NPN discretos, es posible que no sea muy preciso: los NPN no coincidirán muy bien y no necesariamente ejecutarán corrientes iguales incluso con el mismo VBE.

Puede mitigar esto poniendo pequeñas resistencias en serie con cada emisor; lo suficiente como para caer alrededor de 100 mV en la corriente LED de funcionamiento ayudará significativamente.

Entonces, con 500 mA como se muestra, R = 100 mV/500 mA = 0,2 Ω (así que use 0,22 Ω) sería adecuado.

Su circuito tendrá una disipación de energía casi idéntica en cada NPN (alrededor de 0,7 V * 500 mA = 350 mW), por lo que no tendrá mucha desviación debido a las diferencias térmicas, pero aún así sería mejor acoplar térmicamente los NPN.

También hay un pequeño error debido a la ganancia finita (beta) de las NPN; con una beta de 100, esto provocará un 2 % de desajuste en las corrientes que es insignificante en este tipo de aplicación.

lo siento, pero creo que esto está mal. Lea atentamente la respuesta de Neil. Si D1 se escapa, este espejo no lo detendrá . En su lugar, le pedirá a D2 que extraiga la misma corriente más alta, lo que no puede hacer debido a la falta de voltaje de suministro, por lo que D1 aumentará aún más y D2 se reducirá. Sin embargo, este espejo no permitirá que D2 se escape.
Cuanto más pienso en esto, menos lo entiendo. Al principio pensé que esta respuesta era buena, y el comentario de @tobalt me ​​sorprendió, pero ahora estoy de acuerdo con tobalt. Cada vez más, creo que la única forma de combatir el tempco de voltaje negativo del LED es con una resistencia en serie que lo compensa en exceso, en el lado del colector, lo que hace que toda la solución de espejo actual sea redundante. También podría tener dos resistencias en serie, una para cada LED, y prescindir de todo lo demás, o una fuente de corriente independiente para cada LED.
Y ahora he vuelto atrás. Veo que puede funcionar, porque la fuente de corriente alterará su voltaje de cumplimiento a lo que sea necesario para mantener 1A, e incluso un microvoltio de cambio en Vce de cualquiera de los transistores hará que la fuente compense y proporcione el espacio libre que cada transistor necesita para equilibrar cosas. Espero cambiar mi opinión nuevamente en aproximadamente una hora. Nos vemos a todos entonces.
No es que un LED individual se escape, pero 2 LED en paralelo podrían hacerlo. El circuito de espejo simple mantendrá la corriente de D2 cerca de la de D1, incluso si D2 tiene una caída adicional de unos 100 mV. Dado que las corrientes son casi iguales, la corriente constante de entrada se dividirá en partes iguales entre los 2 LED.
Bueno, @ jp314, supongo que uno puede resolver la discusión con una carrera rápida de especias. Incluso con transistores totalmente emparejados. Si D1 es un LED azul y D2 es un LED rojo, la corriente se dividirá en 0,5 A cada uno. Sin embargo, con D1 rojo y D2 azul, la mayor parte de la corriente pasará por D1 = fuera de control. He separado este argumento en una respuesta propia a continuación.
@SimonFitch El voltaje de cumplimiento de una fuente de corriente es el voltaje de la fuente menos el margen de la fuente de corriente (en este caso, el voltaje de saturación del transistor). Nada de lo que pueda hacer la fuente actual lo cambiará; Creo que estás confundiendo el voltaje de cumplimiento con el voltaje simple.
@Hearth Este problema tiene tantas variables. Hay una fuente de corriente fija, una impedancia tempco negativa en cada ruta, lo que equivale a una integral de potencia con el tiempo, un voltaje de cumplimiento compartido entre dos sumideros variables potencialmente no coincidentes que compiten por una parte de eso. El equilibrio establecido por este circuito es una función muy no trivial de todas estas cosas. Entiendo el voltaje de cumplimiento, lo acabo de encontrar por límite cerebral, eso es todo.
El circuito original funcionará siempre que Q2 no esté muy saturado. Esto significa que el VF de D2 no puede ser más de unos 100 mV más que el de D1. Si se vuelve más bajo que D1, entonces Q2 comenzará a disipar más energía.

Estoy publicando esta respuesta para resolver una larga discusión en los comentarios.

El espejo no funciona como, por ejemplo, Neil_UK ha explicado muy bien. La razón es que los espejos actuales funcionan de manera maestra-esclava. Por lo tanto, necesitan un tercer árbol para ejecutarse como maestro o protegerán solo un LED contra fugas.

Esto se puede simular muy bien con especias:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Aunque los transistores están completamente emparejados, los diodos no lo están, lo que se simula usando un LED ROJO y AZUL en paralelo.

En el ejemplo de la izquierda, la corriente se divide bien entre D1 y D2 (505 y 495 mA respectivamente). Sin embargo, en el ejemplo de la derecha, D3 acapara descontroladamente más de 998 mA de la corriente total de 1 A.

¿Crees que la primera solución (más a la izquierda) de @Neil_UK aborda este desequilibrio? Creo que esas resistencias base manejarán perfectamente el problema maestro-esclavo, y las resistencias del emisor mantendrán bajo control los problemas de desajuste del transistor. Este es un gran tema y pregunta, no he pensado tanto en nada en mucho tiempo.
Sospecho que la diferencia entre las caídas de voltaje rojo y azul en este ejemplo es suficiente para exacerbar el desequilibrio hasta el punto en que las preocupaciones de @tobalt son válidas, pero cuando los LED son cadenas y la diferencia de voltaje entre las cadenas es solo un pequeño porcentaje de la voltaje total, aún habría una división de corriente suficientemente efectiva por dos para evitar el desbocamiento.
Mi opinión es que si la regulación de corriente en cualquiera de las cadenas es lo suficientemente buena como para que cualquier modulación de voltaje que cause al mantener la corriente sea más significativa que los cambios de voltaje que ocurren debido a la temperatura de la cadena, entonces no ocurrirá un desbocamiento. En otras palabras, la regulación actual no tiene que ser perfecta, solo mejor que la propia tendencia del LED de aumentar su voltaje directo con la temperatura.
@SimonFitch el problema ocurre también por pequeñas diferencias de Vf. Ese es el punto de 'fugitivo'. Las resistencias del emisor limitarán el fugitivo de hecho. Pero como escribe Neil: Las resistencias funcionan incluso sin un transistor, lo que da como resultado su tercera solución. El espejo actual no hace casi nada

He estudiado esto detenidamente durante muchas horas, y no puedo estar en desacuerdo con nada de lo que alguien aquí ha dicho, porque todos los argumentos son sólidos. Entonces, la pregunta más importante sigue siendo, ¿elimina el circuito OP (@MRB) la fuga térmica en uno de los LED?

Tuve que simularlo con CircuitLab, lo cual hice en dos casos. El espejo desequilibrado original y una versión equilibrada inspirada en las magníficas sugerencias de @Neil_UK.

Utilizo varios LED en serie para simular una cadena de vida real y modelo la caída combinada en el voltaje directo de todos ellos (debido al aumento de temperatura del LED) usando una fuente de voltaje, conectada de tal manera que a medida que aumenta el voltaje de la fuente reduce la diferencia de potencial combinada en toda la cadena. Observe cómo el extremo positivo de la fuente está en la parte inferior, algo que tuve que hacer porque CircuitLab se niega inconvenientemente a realizar barridos de CC en la dirección positiva a negativa.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

A continuación se muestran los gráficos de disipación de potencia total y actual en las cadenas izquierda y derecha (la izquierda es azul), donde calculo la potencia como el producto de la diferencia de potencial total en cada cadena (incluido V1, el ajuste de voltaje directo) y la corriente a traves de. Cada gráfico es un barrido de V1 desde 0 hacia arriba, lo que da como resultado una reducción progresiva de la caída de voltaje total, lo que representa una analogía algo ingenua del aumento de la temperatura.

ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí

Mi interpretación de esto es que hasta una reducción de aproximadamente 400 mV en el voltaje directo combinado de la cadena izquierda, la potencia en las cadenas izquierda y derecha disminuye con la temperatura. Eso es suficiente para evitar la fuga térmica en cualquiera de las cadenas, pero resalta un problema.

Si el voltaje directo combinado de cualquiera de las cadenas es superior a 400 mV diferente del de la otra, entonces este sistema entra en un régimen diferente, donde una mayor disparidad dará como resultado un desbordamiento térmico. Por lo tanto, este circuito no es muy efectivo si los LED no están bien emparejados para empezar.

Menos de 400 mV de reducción de voltaje directo inducida por la temperatura parece reivindicarme a mí y a @ jp314, quienes afirmaron que el circuito funcionará. Sin embargo, en el escenario mucho más probable de que los LED no coincidan bien, la opinión de @tobalt parece fácilmente el mejor juicio.

Ahora incluyo resistencias para mitigar el aspecto "maestro-esclavo" del espejo, como sugiere @Neil_UK (aunque no incluyo resistencias de emisor para combatir la falta de coincidencia de transistores). Aquí está el esquema, con diagramas de corriente y potencia:

esquemático

simular este circuito

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Esto parece resolver el problema de la falta de coincidencia de los LED, porque a medida que el voltaje directo combinado continúa disminuyendo en la cadena izquierda, mucho más allá del punto de inflexión anterior, la potencia en ambas cadenas continúa disminuyendo.

A la luz de esto, me parece que el espejo de corriente "equilibrado" realmente funcionará para evitar la fuga térmica en cualquiera de las cadenas.

Soy consciente de que la forma en que modelé el coeficiente de temperatura de voltaje directo negativo de los LED es bastante ingenua, y no me sorprendería si mi enfoque es muy criticado, pero eso es todo lo que tengo. De todos modos, esto ya me daba vueltas en la cabeza, así que doy la bienvenida a cualquier cosa que aclare esto, incluso (y especialmente) si invalida todo esto por completo.

Le animo a que avance V1 también hacia voltajes negativos. Eso revelará la alta asimetría del espejo de corriente desequilibrada.
¡Acordado! Hice eso, y el gráfico de potencia continúa subiendo hacia la izquierda en ambos casos. Sin embargo, pensé que esto era equivalente a otra fuente de voltaje en la cadena correcta aumentando, y no quería complicar mi ya larga respuesta. Sin embargo, me doy cuenta de que la relación amo-esclavo invalida lo que acabo de decir, debido a la asimetría. Por cierto, gracias, tobalt, tus comentarios han sido realmente útiles e inspiradores.
¿Un espejo de corriente evitará la fuga térmica de estos LED en paralelo?
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