Instructables.com-KSQ mit verbesserter Temperaturstabilität

  • Hat wohl lange keiner mehr die Schaltung aufgebaut bzw Probleme damit gehabt. Nun aber ich.
    Konkret habe ich die Schaltung aus diesem Post von MOSFET mit den von Ausskie hier vorgeschlagenen Modifikationen auf dem Steckbrett aufgebaut, mit folgenden Bauteilen/Werten:
    T1 = IRLZ34N
    T2 = BC547C
    D1 = 1N4148
    R1 = 4,99k
    R2 = 22k
    R3 = 3xparallel 1R
    D2-5 = Cree XHP50 4 Chips in Reihe


    Ich messe an R3 einen Spannungsabfall von 152mV. Dazu passt der Strom von ~477mA ganz gut, den die Schaltung ausspuckt. Allerdings erscheint mir den "Gesamtdrop" zu hoch, da der Strom mit der Schaltung erst bei 12,3V, direkt am Labornetzteil aber schon bei 11,77V erreicht wird (im Diagramm). Das klingt also eher nach 0.53V Drop statt den erwarteten 0.15-0.2V. Was mach ich falsch oder hab ich einen Denkfehler? Könnte das einfach an Übergangswiderständen durch das Steckbrett liegen?

  • Die angegebene Dropspannung von 0,15-0,2V ist die minimale Dropspannung.
    Also die Spannung die über den R3 abfallen muss damit die Schaltung regeln kann.
    Dazu kommt i.d.R. immer noch ein gewisser Spannungsabfall über den FET.
    Der sollte um Regeln zu können schließlich nie voll durchgeschaltet sein.


    0,53V Gesamtdrop sind in der Schaltung schon ganz gut. Vergleich das mal mit dem LM317 ;)

  • Hi Kanwas! Danke für die Antwort. Ausskies Post besagt allerdings, dass der GESAMTdrop im Bereich 150mV sein müsste, oder verstehh ich das schon falsch?

    lässt sich ein Drop der ganzen KSQ von < 150 m erreichen, davon 50 - 100 mV an R3.


    Die Messwerte von Elite hier scheinen das nach seiner Aussage zu bestätigen - wenn ich auch sein Diagramm nicht ganz verstehe.

  • Die Messwerte von Elite zeigen, dass bis etwa 9,45V die KSQ nicht regelt.
    Der Strom steigt an. Ab ca. 9,5V ist der Strom relativ stabil (den Drift über die Bauteilerwärmung der KSQ mal außen vor gelassen. Dafür steigt die als Drop benannte Spannung. D.h. der Fet macht langsam zu und hat dadurch einen höheren Widerstand. Das erhöht dann den Gesamtdrop der Schaltung.


    Ich hab dir mal das passende Zitat aus dem Post von MOSFET rausgesucht:


    Zitat von MOSFET

    Weil der RDS(on) von T1 normalerweise klein gegenüber R3 ist, sind diese 250-350mV dann auch die minimale Dropspannung.


    Dazu ergänzend dann von Elite die Variante mit dem nochmal verringerten minimalen Drop auf 0,15V.


    Sinn des Spiels bei einer linearen KSQ ist ja so wenig wie Möglich Drop zu haben um so effizient wie Möglich zu sein.
    Das geht nur wenn ich mit der typischen LEDspannung möglichst nah an der Versorgungsspannung bin.
    Ein bisschen Luft zum Regeln brauche ich dann auch noch.


    Diese Instructable KSQ kommt aus der Zeit als der LM 317 noch gang und gebe war als KSQ.
    Der LM317 braucht eine Regelspannung (über R3) von 1,25V. Das ist schon eine ganz andere Hausnummer als hier.
    Dazu kommt dann noch ein Drop über den Regler von Mindestens 1V. Also insgesamt mindestens 2,25V Drop.


    Hier hast du minimal diese ca. 0,15V wenn der FET voll auf ist.
    Wenn der FET (teilweise) sperrt wird der Drop natürlich größer.

  • Ich schein etwas schwer von Begriff. Nochmal langsam für mich zum mitdenken:


    Der minimale Drop ist der Spannungsabfall über den Sense-Widerstand R3 (bei mir gemessen 152mV). Dazu kommt der Spannungsafall über R_DS des FET für den Gesamtdrop. Falls dieser ganz auf macht, sollte das weing sein (0.06R*0.5A = 0.03V). Damit käme ich größenordnungsmäßig in Summe auf 182mV. Müsste ich die nicht irgendwo mal sehen, sprich knapp unterhalb von 12V bereits in der Größenordnung 477mA landen?


    Dass die LM317-KSQ noch viel mehr Spannung verbrät, ist mir schon klar - deshalb nehm ich ja die hier. Ich hoffte damit die knapp 500mA regeln zu können bei 12V Versorgungsspannung, da die ja im direct drive bei ~11,77V fließen, da wären dann noch 230mV Luft.


    Was ich auch nicht versteh ist die Diskrepanz von Ausskies 50-100mV an R3 zu 150mV bei mir. Liegt das irgendwie an den R-Werten von R1 und R2 oder was macht hier den Kohl bzw den Drop fett?


    Wie du siehst hab ich bislang keine Ahnung wie diese Schaltung eigentlich funktioniert. Vielleicht sollte ich da mal ansetzen...

  • Diskrepanz von Ausskies 50-100mV an R3 zu 150mV bei mir.


    Das liegt am Ohmschen Gesetz. Wenn du einen Widerstand von ca. 0,32 Ohm hast (3x1 Ohm parallel), wird die Spannung 0,477A * 0,32Ohm = 0,152V betragen.


    Nun zum Gesamtdrop von 0,53V. Das ist in der Tat die Differenz von Uin(Eingangsspannung) zu Uout (Brennspannung).
    Erwartest du nun bei Uin=12,3V minus Drop=0,15V ein Uout=12,15V? Nicht wirklich! Damit würde die LED mit 0,8A befeuert. Das ist nicht Sinn und Zweck.
    Nein, die Schaltung macht genau was sie soll: Sie liefert an die LED eine Spannung von 11,7 um den gewünschten Strom von 0,477A bereit zu stellen.
    Und das geht nur, indem ein Drop von 0,53V erzeugt wird; einmal an 0,152V an R3 + 0,378V am 'leicht leitenden MOSFET'. Alles richtig.


    Jetzt die Betrachtung bei Uin=11,8V. Der Strom ist 0,38A. Die Brennspannung der LED ist 11,63V (Aus Tabelle). Der Drop ist somit 0,17V. Na also, geht doch!


    Jetzt zu deinem Problem. Du erwartest natürlich, dass bei Uin=11,92V (11,77V + 0,15V) bereits die vollen 0,477 A rauskommen. Statt dessen sind es nur 0,43A. Immerhin.
    Das ist in der Tat die Schaltung, die das nicht besser kann, da hier mit Standard-Halbleitern eine trickreiche Regelung aufgebaut wurde bei begrenzter Verstärkung.


    Wenn es 'knackiger' geregelgt werden soll, hilft die OpAmp Schaltung, die auch erwähnt wurde.


    Gruß
    Bernd

  • Das liegt am Ohmschen Gesetz. Wenn du einen Widerstand von ca. 0,32 Ohm hast (3x1 Ohm parallel), wird die Spannung 0,477A * 0,32Ohm = 0,152V betragen.


    Äh, ja klar. Den Spannungsabfall an R3 hab ich doch aber i.W. unabhängig davon welchen Widerstandswert ich einbaue. Darüber stell ich doch gerade den Ausgangsstrom ein, oder?! Wenn ich hier nen anderen R-Wert wähle, ändert sich bei der Schaltung doch i.W. der Strom und nicht der U-Abfall durch/an R3? Damit wäre letzterer doch quasi eine Konstante der Schaltung. Bei mir 0.15V bei Ausskie 0.05-0.1V - so meine Denke...bin verwirrt. ?( Muss wohl wirklich erstmal die Schaltung verstehen, um rauszufinden wo mein Denkfehler liegt.


    Danke auf jeden Fall schon mal für eure Versuche mich in die richtige Richtung zu schubsen.
    Gruß,J

  • Es sollte in der Tat möglich sein, mit dieser Schaltung einen kleineren Drop zu erzielen. Dein Problem dürfte sein, dass Du dich für R2 an der Dimensionierung von Ausskie orientiert hast, die auf einen Standard-MOSFET abgestimmt war. Du hast aber einen Logic-Level (IRL*) eingesetzt. Im eingeregelten Zustand ist bei diesem die Gatespannung deutlich kleiner, entsprechend auch die Spannung an R2. Um gleiche Stromverhältnisse zu bekommen, ist ein kleinerer Wert für R2 sinnvoll, so um die 1k könnte sinnvoll sein, für den besten Wert lohnt es sich zu probieren.

  • Nochmal ein anderer Gedanke dazu: Mit einem Logic-Level-MOSFET ist die ohnehin geringe Spannung an R2 auch noch stark temperaturabhängig, im Extremfall könnte das zum thermischen Weglaufen führen. Einfach umgehen lässt sich das, indem man R2 nicht am Gate des MOSFET, sondern am Schaltungsplus (also hier +12V) anschließt. Damit ist dann die ursprüngliche Dimensionierung 4k99 (oder auch 4k7) und 22k wieder möglich und sollte zu recht kleinem Drop führen, völlig unabhängig vom Typ des MOSFET.

  • Hey, toll dass du dich zu dem Thema meldest! Den Vorschlag aus dem zweiten Post werd ich gleich mal ausprobieren. Den Logic-Level MOSFET hatte ich nach Empfehlung auf instructables.com gewählt. Ich bestell einfach nochmal nen Schwung Bauteile mit anderen MOSFETs und Widerstandwerten. Dann kann ich etwas rumprobieren.
    Danke für die beiden Hinweise!!
    Gruß,J

  • So, ich habe mal alle drei Varianten in LTSpice geschmissen, ich hoffe, man kann was erkennen:



    Die LEDs sind vereinfacht als Gegenspannungsquelle von 11,8V modelliert. Die Versorgungsspannung steigt innerhalb einer Sekunde von 11,8V auf 12,8V, entsprechend der Drop von 0V bis 1V, d.h. die Sekundenangabe auf der x-Achse ist gleichzeitig der Drop in V, wie die rote Gerade nochmal bestätigt. Die Gatespannung des MOSFET (V(gate)-V(source), türkis) regelt sich bei ~1,2V ein, es ist also auch ein Logic-Level, zum IRLZ34 gibt's kein Modell. R3 habe ich jeweils so angepasst, dass ein Strom von knapp 0,5A erreicht wird.
    oben: Wie man sieht, bekommt man mit der von Juisoo aufgebauten Schaltung einen stabilen Strom ab ca. 0,4 bis 0,5V Drop - entspricht etwa den Messergebnissen.
    mitte: Durch Verkleinern des R2 auf 820 Ohm kommt man etwa 0,1V runter mit dem Drop, immerhin.
    unten: Durch das Umklemmen der 22k an Plus ergibt sich ein traumhaftes Verhalten mit nur ca. 0,15V Drop, wenn das in der Praxis nur halb so gut aussieht, sollte das die beste Variante sein.


    Es würde mich interessieren, ob die Messergebnisse das bestätigen können.

  • Moin! Hatte das (die dritte Variante mit R2 an VCC statt am Gate des FET) gerade ausprobiert und wollte meine Messergebnisse posten, da sah ich deine Simulation. Was soll ich sagen, ich bin begeistert! Hier meine Werte in die erste Grafik mitreineditiert. Dass die direct drive Daten jetzt anders sind, muss daran liegen, dass ich ne andere LED erwischt habe als beim ersten Mal, oder die Messleitungen besseren Kontakt finden, oder oder oder. Auf jeden Fall scheinen die Messwerte die Simulationen zu bestätigen:


    Wenn man sich die Kurve ansieht, scheint die lineare interpolation im entscheidenen Bereich mehr als schlecht, so dass der Nennstrom vermutlich schon ~0.05 früher erreicht werden könnte, was dann einen Drop von 0,18V bedeutete.


    Der Wert von R3 ist nun 1/8-Ohm ansonsten wie gehabt:
    T1 = IRLZ34N
    T2 = BC547C
    D1 = 1N4148
    R1 = 4,99k
    R2 = 22k
    D2-5 = Cree XHP50 4 Chips in Reihe

  • Mensch, super Ergebnis, ich mochte der Simulation ja noch nicht so ganz vertrauen...
    Nochmal der Hinweis, dass für einen temperaturstabilen Strom T2 und D1 gleiche Temperatur haben müssen (Schließlich heißt der Thread immer noch "...mit verbesserter Temperaturstabilität"). Das ist hier noch viel wichtiger als bei der Version mit der Schottkydiode, weil die Temperaturdriften sowohl der Diodenspannung wie auch der UBE des Transistors relativ zu der kleinen Spannung an R3 noch stärker ins Gewicht fallen.
    Wie Ausskie ja weiter oben schon angemerkt hatte, kann man den Effekt natürlich auch ausnutzen und T2 mit auf dem Kühlkörper montieren, dann bekommt man eine thermische Abregelung.
    Der umgekehrte Fall (dass also die Diode im Betrieb stärker erwärmt wird als der Transistor) führt aber im Extremfall zum thermischen Weglaufen und muss unbedingt vermieden werden!

  • Urrks, das mit der Temperaturdrift kann ich ebenfalls bestätigen. Habe die Schaltung nun mal auf Lochraster aufgebaut mit R3 und D1 als SMD Bauteile auf der Rückseite.


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    Bei der knappen Auslegung meiner Schaltung erwärmt sich der FET im TO-220 Gehäuse vermutlich kaum - die kleine MiniMELF-Diode dagegen offenbar merklich. Jedenfalls konnte ich innerhalb von ca 5-7min eine allmähliche Erhöhung des Ausgangsstroms von 600mA auf 650mA beobachten. Dann hab ich abgeschaltet. Jetzt steh ich vor dem Problem die Diode thermisch an den FET zu koppeln. Da eignen sich diese runden Gehäuse ja mal gar nicht zu. Da muss ich wohl noch'n bisserl frickeln bis das sitzt...

  • Für's Protokoll: Bei der oben verwendeten Schaltung mit dem bipolaren Transistor T2 mit Arctic Silver auf den LED-KK aufgeklebt sieht der Strom wie folgt aus. Unmittelbar nach dem Einschalten fließen etwa 490mA, was sich innerhalb der ersten Minute auf etwa 509mA erhöht und in der Folge allmählich bis 477mA absinkt, um sich anschließend bei rd 483mA einzupendeln. Damit kann ich für's erste leben, werde aber noch weitere Varianten testen.


    Ganz großes Dankeschön hier nochmal an @MOSFET für den Support und die vermittelten Einsichten!