100%
 
Ideaport
1
Portaaton kirkkaudensäädin 1W-3W ledeille, käyttöjännite 5V

Transistoritoiminen kirkkaudensäädin teholedeille, joiden virtalähteenä halutaan käyttää USB-väylää eli 5V jännitettä. Kytkennän osasijoittelu on sovitettu elektroniikkakytkentöjen yleispiirilevylle “Multitasker”.


Esittely
Säädin on toteutettu transistoreitten peruskytkennällä "emitteriseuraaja". Emitterisauraaja on kytkentä, jossa transistorin emitterijännite säätyy suoraan kannalla olevan jännitteen mukaisesti ja kuorma - eli tämän säätimen tapauksessa led - on emitterin puolella.

Kun kytkentään liitetään käyttöjännite, transistori avautuu ja ledin yli vaikuttava jännite- ja virta kasvaa nopeasti emitterillä. Potentiometri syöttää maksimissaan 5V jännitettä transistorin kannalle- Kannalta emitterille hukkuu tietyn kynnysjännitteen verran, jotta transistori pysyy johtavana (max. n. 1,3V). Emitterijännite ei voi nousta tietyn pisteen jälkeen enempää jotta kynnysjännitteelle riittää tilaa. Muuten kantavirtakin tipahtaisi kuristaen transistorin läpi kulkevaa virtaa. Emitterijännite seuraakin tämän jälkeen potentiometrin säätöjännitettä (miinus tarvittava kynnysjännite).

Transistorina kytkennässä on käytetty darlington-transistoria sen suuren vahvistuskertoimen takia. Kyseisellä transistorilla saadaan häivytettyä olemattomiin ongelma, joka liittyy tavallisiin transistoreihin. Niillä suurempia kuormia ohjatessa tarvitaan myös verrattain suuri virta transistorin kannalle. Darlingtontransistori on sisäisesti kahden transistorin yhdistelmä, jossa ensimmäinen transistori ruokkii toisen transistorin kantaa. Näin alkuperäistä ohjaukseen tarvittaa virtaa tarvitaan murto-osa. Potentiometrin ei tarvitse olla niin suuritehoinen kuin tavallisella transistorilla pitäisi olla (useimmiten potentiometrien tehonkestot eivät riitä). Kuormana voi olla myös aivan eri tehoisia ledejä ilman että potentiometrin- tai vastuksen R2 arvoa pitäisi muutella aina sen mukaan.

Säätimen tuottama korkein jännite on 3,6V ja johtuu automaattisesti siitä, kun käyttöjännitettä on vain 5V ja darlingtontransistoriin hukkuu vääjäämättä n. 1,4V. Ledin etuvastus on määritetty tälle 3,6V maksimijännitteelle. Jos teet omia kokeiluja tällä säätimellä, ei vastusta kannata mitoittaa aivan maksimivirtaan, koska lämpenevän ledin kynnysjännite laskee hienoisesti ja siten virtakin kasvaa. Etuvastus kannattaakin laskea n. 20% suuremmaksi. 1W ledillä hyvä arvo on 2,2Ω ja 3W ledillä 1Ω.

usb-teholed/USB-Teholed_Darlington_Valmis.jpg?ver=241204_09

usb-teholed/USB-Teholed_BD679_Sch.jpg?ver=241204_11


Vaikkakin ledin kynnysjännite sen ominaisella käyttövirralla on n. 3V, sammuu led kokonaan vasta kun jännite alittaa n. 2V tason. Säätimen pienimmäksi ulostulojännitteeksi onkin asetettu n. 1,8V. Jännitealue on määritetty vastuksen R2 ja potentiometrin keskinäisellä sopivalla suhteella, jonka ansiosta potentiometrin säädön alkupäähän ei jää pitkää kääntöaluetta, jossa led on pimeänä ja syttyy ehkä vasta potentiometrin puolivälin jälkeen. Jännite ei siis säädy nollajännitteiseksi vaikka potentiometri olisi minimissä. Ledin plusnavassa on minimissään aina n. 1,8V jännite, mutta virtaa ei enää kulje ja led on pimeä.

Säätimestä on kaksi eri versiota, maksimi 1W ja 3W led-tehoille, joiden ero liittyy vain ledin etuvastukseen. Muuten kytkennät ovat identtiset.

Ideaport
2

Rakentaminen
Piirilevylle juotetaan ensin transistori siksi, jotta jäähdytyslevy saataisiin sopivaan korkoon piirilevyyn nähden. Piirilevy on yleensäkin hyvä laittaa kiinni laitteen pohjaan, käyttäen välissä piirilevykorokkeita. Korokkeiden korkeus taas liittyy kuvan jäähdytyselementtiä käytettäessä transistorin jalkojen pituuteen vs. jäähdytyslevyn kiinnitysreiän kohtaan, jotta transistorin jalat ylettäisivät piirilevyyn.

Kun piirilevyllä ei ole paikkaa jäähdytyslevyn kiinnitykseen, niin jäähdytyslevyn on oltava malliltaan jollain tavalla tuettavissa. Jäähdytyslevyn ei ole hyvä roikkua transistorin jalkojen varassa. Kuvan jäähdytyselementti on oikeasti tarkoitettu asennettavaksi vaakasuuntaisesti piirilevylle, mutta sen saa seuraavassa kuvatuin menetelmin toimimaan pystyasennossa ja tuetuksi. Jotta jäähdytyselementin väärä sijainti pystysuunnassa ei aiheuttaisi ongelmia suuntaan tai toiseen, esitetään seuraavassa toimiva menetelmä oikean mitoituksen varmistamiseksi.

Jotta jäähdytyslevyn alahelma tulisi oikeaan korkoon ja se voitaisiin myös kiinnittää liimaten samaan pohjatasoon piirilevyn kanssa, menetellään seuraavien kuvien mukaisesti. Menetelmä toimii kun piirilevy on vielä tyhjä muista komponenteista. Ensin piirilevyn alle laitetaan ne piirilevyn korokkeet (>5mm) joitaa on tarkoitus käyttää. Seuraavaksi mitataan työntömitalla etäisyys piirilevyn päältä jäähdytyslevyn laelle. Tämä etäisyys oli kuvan jäähdytyselementillä 29mm.

usb-teholed/USB-Teholed_mittaus1.jpg?ver=241202_21 usb-teholed/USB-Teholed_mittaus2.jpg?ver=241202_21


Nyt sitten tarvitaan porrasjiki, jonka korkeus on tuo 29mm. Kyseisen portaan voi tehdä tietenkin vaikka kokonaan puusta "höyläten ja viilaten", mutta mahdollisesti nopeammin sen tekee ruuveilla ja palikalla. Ruuvit kulmiin ja säädetään ruuvilla mittaa kannen ja ruuvin pään välille kunnes joka kulmaan saadaan oikea mitta. Allaolevassa kuvassa on edellä kerrottu, pöytää muistuttava säädettävä jiki.

usb-teholed/PorrasJiki.jpg?ver=241204_07


Transistori kiinnitetään tämän jälkeen hetkellisesti jäähdytyselementtiin ja transistori juotetaan kiinni jikiä apuna käyttäen kuten seuraavassa kuvassa.

usb-teholed/USB-Teholed_Transistori-Jiki.jpg?ver=241204_07


Jäähdytyselementti on hyvä irrottaa heti tämän jälkeen, jotta transistorin jalat eivät vääntyile jäähdytyselementin painosta kun muita osia juotetaan paikalleen. Transistori ei tarvitse kovinkaan paljon jäähdytystä, mutta älä kuitenkaan kokeile säädintä ilman jäähdytystä, koska transistori voi tuhoutua.

Ideaport
3

Osasijoittelu

usb-teholed/USB-Teholed-Transistoris_Sijoittelu2.jpg?ver=241205_07


Osaluettelo
TBD679* transistori (* tai 677/681)
C1100nF keraaminen kondensaattori, aksiaali
R1220Ω vastus 1/4W
R2680Ω vastus 1/4W
R3 @ 1W LED2,2Ω vastus 2W
R3 @ 3W LED1Ω vastus 2W
PotPotentiometri 1kΩ


Muita tarvittavia osia ja tarvikkeita:
• Ruuvilittimet piirilevylle, 3- ja 2-osaiset.
• USB-tuloliitin kuten kuvissa näkyvä yleistyvä USB-C runkoliitin tai esim. johdin leveällä A-tyypin USB-liittimellä.
• Jos säätimen halutaan pysyvän tietyssä säädössä ja se halutaan välillä vain sammuttaa, voidaan kytkentään lisätä vaikkapa vipukytkin.
• Silikonieristeitä- tai lämmönsiirtotahnaa
• Piirilevyn korokkeita >5mm.


Osasijoittelukuva ilman ruuviliittimiä
Tämä osasijoittelu kuvaa lähinnä mihin johtimet tulevat kun ruuviliittimiä ei käytetä. Jokaiselle johtimelle on oma juotospisteensä.

usb-teholed/USB-Teholed-Transistoris_Sijoittelu1.jpg?ver=241205_07


Potentiometrin juottaminen
Potentiometrin johtimet kannattaa juottaa ensin piirilevylle ja sitten vasta potentiometriin kiinni. Avarra reikää noin ø1.2mm poralla johteeseen T2 menevälle johdonpäälle (kuvissa punainen johto potentiometrille). Potentiometrin kiinni juottamista helpottaa puunpala/levy, jossa on potentiometrin kierteen kokoinen reikä. Tämänkin levyn tulee olla korotettu akselin pituuden verran kuten aiemmin esitellyn jikin. Kun potentiometrin sijoittaa reikään käyttäen paperinpalaa jumittajana, niin se pysyy mainiosti aloillaan juottamisen ajan.

usb-teholed/USB-Teholed_Darlington_Potentiometri.jpg?ver=241204_10


Ledin jäähdyttäminen
Siitä huolimatta onko teholedin alla pieni alumiininen kolikko, niin jo 1W led tarvitsee 30cm² jäähdytyspinta-alan eli vaikka alumiinilevyn joka on ≥4cm kanttiinsa (kumpikin puoli lasketaan mukaan), 3W led tarvitsee ≥80cm² jäähdytyspinta-alan eli ≥6,5cm kanttiinsa ja 5W ≥120cm².
Käytä myöskin ns. piitahnaa- tai silikonilevyä ledin alla.

Ledin alumiininen 20mm kolikko ei ole varsinainen jäähdytyslevy, vaikka kiinan verkkokaupoissa- ja jopa joidenkin ko. kauppojen suomalaisten trokareitten toimesta niin väitetään! Sähköinen tehonkesto ehkä pitää paikkansa, mutta jäähdyttämisestä kertomatta jättäminen ei kerro että alumiinikolikko olisi riittävä kullekin teholle tarvittavaa jäähdytystä varten.

Kolikko on ainoastaan jäähdytystä helpottava välikappale. Ihan jokaisessa ledivalmistajan datalehdessä on varoitukset jäähdytyksen tarpeesta. Kiinan verkkokaupoissa ei näihin- tai mihinkään muihinkaan tietoihin tietty törmää.

Seuraavassa datalehdessä (pdf) on esimerkkiohje 1W ja 3W ledien jäähdytysalan tarpeesta otsikon "Thermal Management" alla. Ohjeessa mainittua MCPCB (Metal Core Printed circuit core) vastaa hyvin 1mm alumiinilevy saman kokoisena.

XEON Power LED - Thermal Management


Ideaport
4

Mittauspisteet ruuviliittimissä

usb-teholed/USB-Teholed_BD679_Sch.jpg?ver=241204_11


Ruuviliittimet tarjoavat hyvän mahdollisuuden mitata kytkentää ongelmatilanteissa. Mittapisteet on kuvattu myös kytkentäkaaviossa sinisellä pohjalla ja ne vastaavat Multitasker-piirilevyn liitosreunan merkintöjä.

Käyttöjännite sisään: TL(-) / T2(+)
Tarkista aina ensin että käyttöjännite on 5V eikä esim. "romahtanut" oikosulun takia.

Emitterin jännite: TL(-) / T1(+)
Tämän jännitteen tulisi muuttua potentiometrin mukaan välillä n. 1,8V-3,6V. Jos jännite on nolla niin transistorissa on vikaa tai vastuksessa R1 on kylmäjuotos. Samoin jos jännite on 5V niin transistorissa on oletettavasti vikaa.

Potentiometrin jännite: TL(-) / T3(+)
Tutki potentiometrilta tuleva säätyvä jännite, jos emitterijännite ei säädy oikein. Vikaa voi olla potentiometrin johtimien juotoksissa tai järjestyksessä. Jännite säätyy näistä mittapisteistä mitattuna n. 2V-5V välillä.

Ledin jännite: TL(-) / TR(+)
Tämä jännite kuvaa suuremmilla virroilla ledin kynnysjännitettä ominaisvirralla. Joidenkin ledien kynnysjännite voi olla korkeampi, jolloin etuvastuksen arvoa pitää ehkä pienentää. Jos jännitettä ei näy ollenkaan ja edelliset mittaukset on käyty läpi, on etuvastuksessa R3 kylmäjuotos.

Etuvastuksen häviöjännite: TR(-) / T1(+)
Ledin etuvastuksen häviöjännite kuvaa myös vastuksen läpi kulkevaa virtaa. Oletetaan että potentiometri on maksimissa ja mittari näyttää 0,6V. Led on 1W ja etuvastus R3 siten 2,2Ω. Vastuksen läpi kulkeva virta on tällöin 0,6V / 2,2Ω = 0,27A. Tämä luku on ihan hyvä kun 1W ledin maksimi virta on 0,35A.

Aivan ensimmäinen testi on aina se, että laitetaan säätö n. puoleen väliin ja virrat päälle. Jos led ei loista edes himmeästi ja transistorin jäähdytyslevy siitä kiinni pitämällä alkaa lämmetä nopeasti, irrotetaan virrat heti ja aletaan tutkimaan mikä onkaan vialla.

Video testauksesta
Kytkentää voi testata 1W ledillä lyhytaikaisesti ilman että led olisi jäähdytetty. 3W ledistä on jo sitten annettu ledivalmistajan esimerkkinä sellainen varoitus, että testi saisi kestää korkeintaan yhden sekunnin täydellä teholla. Käyttöjännitteen tuloliittimenä on videolla käytetty USB-C runkoliitintä.




Kytkentä useammalle ledille
Jos säädintä halutaan käyttää useammalle ledille, käytetään ulostulona pistettä T1. Jokainen led varustetaan omalla etuvastuksella, joka lasketaan 3,6V jännitteelle.


www.ideaport.fi


16.12.2024

Markku Kauppinen

../Ideaport_logo.jpg?ver=250521_15