Добил я все-таки полностью аналоговый балансировщик. Шел днем по улице и неожиданно понял, как оно должно регулироваться. Потом дома долго-долго строил модели и проверял. Подтвердилось, что принцип и модели работают. В общем, выглядит все так:
Спойлер
Обведенное оранжевым пунктиром к схеме, по большому счету, не относится. Micro-cap 9 очень долго обсчитывает модель импульсного преобразователя напряжения, что я был вынужден заменить его в модели обычным линейным стабилизатором. В противном случае, я бы до конца недели считал. Такая замена ничего не меняет, т.к. и преобразователь и стабилизатор следят за выходным напряжением одним и тем же образом и в этом смысле для модели они тождественны.
На рисунке изображена схема балансирования двух цепочек светодиодов, когда все диоды идентичны по своим параметрам. Это идеальный случай. На практике такого не бывает. Тем не менее, полезно взглянуть на установившийся режим и оценить минимально возможные энергопотери. Основные потери приходятся на рассеиваемую мощность мосфетом и измерительным резистором. Для схемы в идеальном состоянии они составляют 30мвт + 40мвт на один канал (цепочку, линейку и т.п.). Светильник из четырех цепочек будет "терять" 280 мвт мощности, что выглядит весьма неплохим результатом.
Режим работы схемы выставляется с помощью двух напряжений. Одним потенциалом (батарейка V3) устанавливается ток в цепи светодиодов, а вторым (батарейка v2) минимальное напряжение, которое должно "падать" на мосфете и измерительном резисторе. Оба напряжения выставлены с таким расчетом, чтобы величина тока через светодиоды равнялась 350ма, а падение напряжения в цепи регулирования составило 200мв.
Так как светодиоды имеют очень сильный разброс параметров даже в одной партии, то стоит рассмотреть случай, когда разброс будет максимальным. Предположим, что в одну цепочку попали все светодиоды с минимальным падением напряжения, а во вторую с максимальным. С учетом того, что разброс по параметру "падение напряжения" может достигать 20%, то на цепочке из 5 диодов падение может составить 100% от величины одного светодиода. Чтобы изобразить это на модели, проще всего выбросить из любой цепочки один светодиод. Цепочки максимально разбалансированы. Смотрим, как на это реагирует балансировщик:
Спойлер
Напряжение с источника осталось прежним, т.к. цепочка светодиодов с максимальным падением напряжения определяет, какой вольтаж будет запрошен для питания всей схемы. Для цепочки с минимальным падением напряжения балансировщик увеличил сопротивление канала мосфета, чтобы ток в цепи остался неизменным. На этом мосфете стала рассиваться мощность больше одного ватта.
Теперь предположим, что в процессе эксплуатации вторая цепочка уменьшила падение напряженя (нагрелась, например). Удаляем один диод из второй цепочки:
Спойлер
Схема "заставила" источник питания снизить напряжение. Потери мощности опять стали минимальными. Все работает, как и было задумано.
Теперь о том, как это работает. За каждой линейкой следят два операционных усилителя. Один из них (B и D) следит, чтобы на цепочки подавалось достаточное напряжение. ОУ сравнивает напряжение на стоке мосфета с образцовым напряжением, которое подается на неинвертирующий вход. Если напряжение становится ниже образцового, то операционник реагирует на это повышением напряжения на выходе. Так формируется "запрос" к блоку питания на поднятие напряжения. Запросы от всех стабилизаторов линеек подаются через диодное "ИЛИ" на блок питания и чьи требования по питанию выше (какой линейке больше всего не хватает), та и выигрывает и источник поднимает напряжение под эти требования. Те линейки, на которых напряжение вследствие этого оказывается завышенным, регулируют ток в цепи управляя мосфетом, на котором лишнее напряжение и сбрасывается в тепло. Регулировкой тока занимается второй операционник (на схеме это A и C). Он знать ничего не знает, что кто-то там регулирует напряжение и тупо следит, чтобы ток в цепи не превышал установленное значение. Только и всего. Работая в паре, оба операционника следят, чтобы ток и напряжение соответствовали требуемым значениям.
Технико-экономическая сторона вопроса. Данная схем драйвера является самой дешевой из всех рассмотренных ранее, если считать по стоимости компонентов. На светильник из четырех цепочек светодиодов по пять штук в каждой, потребуется две микросхемы счетверенных ОУ, типа LM324. На сегодняшний день китайские продавцы предлагают LM324 по девять рублей за корпус, если покупать десяток. В пересчете на один канал получаются следующие цифры:
LM324 ~ 9 / 2 = 4,5 руб.
Мосфет ~ 15 руб.
==============
Итого: 19,5 руб.
Общая стоимость компонентов линейного регулятора на ОУ для одного светильника составит 78 рублей, против 90 рублей для схемы на МК. Сравнивая обе этих схемы между собой, можно выделить их преимущества в том или ином параметре. Схема на ОУ более быстрая и более точная. Хотя состояние цепочек светодиодов меняется медленно, какой-то смысл в оперативности все-таки есть. Вторым преимуществом этой схемы можно назвать скорость изготовления. Схема начнет может начать работать сразу, как только будет закончена пайка компонентов. В схеме с МК потребуется написание управляющей программы, каковой процесс обычно длится дольше, чем изготовление аппаратной части. В целом, трудозатраты на схему с МК выше и выше многократно. С другой стороны, схема с МК имеет очень обширные возможности расширения и добавления функционала уже в процессе эксплуатации устройства.
Хоть я и люблю всяческие микроконтроллерные навороты, но в данном случае я больше склоняюсь в пользу схемы на ОУ. Есть в аналоговой технике какая-то своя притягательность.
На тему драйверов для светодиодов хотел бы поделиться еще одним своим вчерашним открытием. Копаясь в закоулках алиэкспресса и выбирая аллюминиевые платы под светодиоды, я случайно наткнулся на любопытный чип, доселе мне неизвестный.
Спойлер
Взглядом я за него зацепился потому, что компоненты в корпусе SOT89-5 мне как-то не часто встречаются. Я мож америки тут открываю, но обнаруженный чип, кроме своего вида, поразил меня в изрядной степени и функционалом в сочетании с ценой. При стоимости 8 рублей за штучку (при покупке десятка сразу) эта козявка представляет из себя драйвер светодиодов в виде импульсный преобразователя с частотой до 1мгц и током до 1.2А, при входном напряжении от шести до тридцати вольт. Эффективность преобразования, честно говоря, внушает -- до 97%. Наличествуют всякие мульки, типа защит и управления яркостью (причем в двух видах -- ШИМ и уровнем напряжения). И все это при совершенно элементарной схематике:
Спойлер
Отзывы в интернетах, в целом, благоприятные. Единственный недостаток, который попался на глаза, кто-то там жаловался, что помехи FM-приему возникают. Насколько уж правда, судить не могу.
Как-то я от всех этих фишек так перевозбудился, что заказал двадцать штук сразу. Теперь вот чешу репу, зачем мне столько.
Придется применение придумывать.
