LED driver via transistor et Mosfet

[gregobry]

Hello,

J'essaye en ce moment de créer un circuit imprimé pour contrôler un éclairage externe depuis le signal strobe d'une caméra.
J'ai déjà fait quelques essais avec seulement un MOSFET mais ce n'est pas super fructueux car mon signal gate est trop faible.
J'ai trainé sur le site pour me renseigner sur les postes déjà existant mais je n'ai pas trouvé mon bonheur.
J'ai aussi trouvé d'autres ressources sur internet, comme ce cours:

https://www.f-legrand.fr/scidoc/doci...DVvkQWUGcL1eVs

Mais encore une fois, pas moyen de confirmer que mon design est correct..

L'idée:
J'aimerai contrôler un circuit imprimé externe, composé de 8 LEDs haute puissance via un signal stroboscopique d'une caméra.
Ce circuit imprimé en aluminium est connecté au circuit imprimé de caméra via un double connecteur (2 pins ->), une borne + (3.3V, 3A) et une borne - (relié au drain du MOSFET).
Le circuit imprimé de la caméra alimente les LEDs lorsque le MOSFET est "fermé" via le signal stroboscopique.
Bref, un dessin vaut mieux qu'un long discours!..



Mon signal strobe est de 1.62V 2.5mA typical, VBUS est égale à 5V et je souhaite que le MOSFET fonctionne comme un low side switch.
Ai-je loupé une étape dans mon design? Peut être une pull-down resistance entre le transistor et le MOSFET?

Merci d'avance pour les commentaires que vous pourrez apporter!
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[Qristoff]

Bonjour et bienvenue,

J'aimerai contrôler un circuit imprimé externe, composé de 8 LEDs haute puissance via un signal stroboscopique d'une caméra.

je ne pense pas que la partie puissance de la carte à led de puissance s'alimente sur du 3,3V as tu une fiche technique de cette carte à led ?

[gregobry]

Et pourtant, j'en suis sur! Et pour cause, c'est moi qui l'ai faite

[Qristoff]

Je n'arrive pas bien à lire, c'est 1,3 ohms ou 13 Ohms ?
dans les 2 cas, ça ne sera pas top...quelle type de led ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[gregobry]

Pardon, 1.3Ohms!

Et cette référence:

https://www.osram.com/media/resource...0CS8PM1.EM.pdf

Pourquoi ce ne serait pas top?

[antek]

erreur 404

[Qristoff]

Bonjour,

Pourquoi ce ne serait pas top?

La tension directe typique de cette diode est de 2,85V. Si tu alimentes en 3,3V, on attend en théorie un courant de 350mA par branche (2,8A pour l'ensemble de 8 leds). La valeur de la résistance série de 1,3 ohm est trop faible pour assurer une stabilité du courant dans la led et tu vas droit à l'emballement thermique.
Je pense qu'il serait préférable d'utiliser des générateurs de courant et une tension d'alimentation plus élevée.

[Qristoff]

Tu peux essayer un truc du genre:

[lutshur]

Bonjour,

gregobry
Mon signal strobe est de 1.62V

La gate reste à environ 0,8V~0,9V lorsque Q2 est bloqué. Si tu mets une résistance de pull down, de toutes façons, la tension de la gate ne montera pas très haut (0,8V~0,9V).
Si tu ne veux pas utiliser un AOP, tu peux le faire avec 2 transistors
Je n'ai pas le modèle de ton Mosfet, j'ai mis un au hasard.

[gregobry]

Boonjour Qristoff,

Il serait donc plus judicieux d'utiliser directement mon 5V plutôt que de le retranscrire en 3.3V? Pourrais-tu me donner plus de détails sur les raisons de cela?
Ma carte doit rester très petite et elle est déjà bien chargé.. Impossible d'utiliser autant de transistor que montré ci-dessous.
Une autre idée qui me prendrait mon d'espace et qui serait tout aussi efficace?

Si je passe en 5V d'alimentation, les valeurs de mes resistances deviennent 6.42Ohms. Je ne comprends pas trop la difference avec la solution précédente.
Mais à vrai dire je n'avais (bêtement) pas pensé à utiliser l'alimentation USB 5V directement et c'est une bien meilleure idée que de repasser en 3,3V...
Je me dois de specifier, pas d'inquiétude mon hôte est capable de délivrer 5V 3A sur ce port USB.

Merci pour les conseils!

[gregobry]

Bonjour lutshur,

J'avais complètement zappé l'idée d'un AOP mais cela pourrait en effet rendre les choses bien plus facile!
Merci en tout cas pour le schéma! C'est exactement le genre de chose dont j'avais besoin.
J'essaye de l'étudier/comprendre en détails et je reviens vers toi si j'ai des questions
Malheureusement je n'ai pas encore les connaissances et l'expérience nécessaire pour tout comprendre d'un coup.
La façon dont le circuit fonctionne me parait encore très obscure mais je suis sur qu'en cherchant cela va s'éclaircir!

Merci

[Qristoff]

Il serait donc plus judicieux d'utiliser directement mon 5V plutôt que de le retranscrire en 3.3V? Pourrais-tu me donner plus de détails sur les raisons de cela?

Pour ce type de led à fort courant, il est quasi impossible de stabiliser le courant avec une simple résistance comme pour une petite led à 20mA. Les coefficients thermiques de la led (~-2mV/°C) et de la résistance, en plus de sa précision initiale vont faire que tu ne pourras pas gérer le courant sans un minimum de régulation.
Le schéma que je te propose utilise des petits transistors qui ne prennent vraiment pas de place en SOT23.

[gregobry]

Bonjour Qristoff,

Merci beaucoup pour ton retour!
J'ai étudié le circuit que tu m'as donné pour comprendre les concepts que je ne connaissais pas encore, comme la limitation de courant via un transistor par exemple.
J'ai donc refait une simulation via CircuitLab et j'ai quelques questions a te poser.

J'ai d'abord réfléchi au 5V, parce que passer à 5V aurait grandement faciliter mon alimentation.
En faisant les simulations, j'ai fini par me rendre compte que la puissance utilisée par la carte augmenterait aussi. Logique
Le problème est que j'ai déjà du mal a dissiper les 9 Watts que j'utilise actuellement. Ma board fait seulement 32x32mm plus le trou pour la lentille.

IMG_1403.jpg

Si je décide d'utiliser les 5V, j'augmente ma consommation à 11W environ. Ce qui va rendre les choses plus difficiles pour la dissipation thermique.

Voilà ce que j'obtiens avec 3.3V:
Screenshot 2021-02-26 at 15.38.18.jpg

Et avec 5V:
Screenshot 2021-02-26 at 15.39.45.jpg

J'ai regardé si je pouvais réduire pour arriver à l'équivalent du 3.3V mais je n'ai pas trouvé la bonne solution..

Autre chose, lorsque ma température va augmenter, en grande partie à cause des LEDs, que va-t-il advenir de mon contrôle de courant via les transistors?
Je suppose que le gain du transistor change et que par incidence le courant dans la LEED aussi mais je n'arrive pas à le simuler.

Je vais essayer de faire les modifications sur mon circuit imprimé et serrer les fesses pour que ça passe!
Je mettrai le résultat ici.

[gregobry]

Un autre point à éclaircir. Je ne suis vraiment pas sûr des valeurs que je mets dans chaque propriétés..
Je ne suis pas capable de trouver à quoi cela correspond et comment matcher mes LEDs, mon transistor, etc..

LED:
Screenshot 2021-02-26 at 16.03.43.png

TRANSISTOR:
Screenshot 2021-02-26 at 16.06.35.png
Screenshot 2021-02-26 at 16.06.42.png

Une idée pour cela?

[Janpolanton]

Bonjour,

Une idée pour cela?

Bien sûr, abandonner CircuitLab et passer à LTspice.

[bobflux]

Il serait donc plus judicieux d'utiliser directement mon 5V plutôt que de le retranscrire en 3.3V? Pourrais-tu me donner plus de détails sur les raisons de cela?

Avec 3V3 le courant dans les LEDs ne sera pas précis. Si tes LEDs ne sont pas triées par tension Vf il y aura une assez grande dispersion dans le Vf, donc avec une résistance de faible valeur certaines LEDs auront plus de courant que d'autre, ce qui peut donner un éclairage inégal pour ta caméra.

En plus, si tu convertis le 5V en 3.3V avec un régulateur linéaire, la différence de tension partira en chaleur, donc il n'y a pas de gain de rendement à alimenter les LED en 3V3.

Une autre solution serait de mettre toutes tes LED en série et d'utiliser une tension d'alim plus élevée, comme ça tu n'as qu'une seule régulation de courant à faire, mais avec une alim 5V ce n'est pas forcément pratique.

Mais... même avec 9W seulement le circuit imprimé est trop petit pour dissiper toute cette puissance sans surchauffer. Est-ce que ça doit rester allumé en continu ou bien c'est juste pour un flash? Si c'est un stroboscope, quel rapport cyclique ? Si les LED ne sont allumées que 10% du temps par exemple, la chauffe ne sera que de 10% des 9W, donc là c'est bon.

[Qristoff]

Si la photo est représentative, le circuit n'est pas si petit et permet de loger tous ces petits transistors !
En complément de ce qu'a écrit Bobflux (sous reserve de répondre aux questions sur le rapport cyclique), il faut aussi penser à la conception du circuit imprimé. Pour des circuits qui dissipent, il faut privilégier les puits thermiques comme des couches de cuivres de 70µm avec des vias thermiques. Il ne faut pas non plus négliger le système de fixation qui apporte un drain. Au besoin, on peut inverser le schéma pour relier le drain thermique à la masse mécanique, ce qui facilite l'assemblage. On peut aussi envisager des petits radiateurs à ailettes à l'arrière du circuit. Le top du top, on passe en SMI mais c'est plus le même prix !

[bobflux]

pffff, homme de peu de foi, le circuit imprimé en alu est à 26$ sur pcbway

[gregobry]

Merci pour tout vos retours!

J'ai réinstallé LTSpice et c'est en effet plus simple à utiliser!
J'ai donc refait le schéma que tu avais envoyé Qristoff pour pouvoir en mesurer les valeurs.
J'ai remarqué que la tension mesuré sur ma LED était de 4.2V quand j'attendais 2.85V.
Je suppose que vu que le courant est limité par le transistor, la LED prendra simplement ce qu'elle a besoin pour 350mA et que j'e n'ai donc pas m'en soucié.
C'est correct?

Une autre question, concernant le 5V au lieu du 3.3V. Mon régulateur linéaire est placé sur une autre carte, et cette carte LED est directement alimenté par le 3.3V.
Je vois beaucoup d'inefficacité en termes de dissipation de chaleur et de puissance.
Si je me dirige vers 5V, je vais donc (en simplifiant) utiliser 5V * 2.8A = 14W, alors qu'avec 3.3V j'aurais 3.3V * 2.8 = 9.24W.
Cela me parait vraiment embêtant. Y a-til quelque chose que j'ai loupé?
De plus mon alimentation géneral en 5V 3A va devenir vraiment limite pour alimenter ma caméra et mon éclairage.
Quels seraient les effets d'utilisation d'une résistance avec une valeur plus basse? LEDs qui clignotent légèrement? LED ayant différentes intensités?

Est ce que je pourrais aussi envisager d'utiliser directement un régulateur linéaire pour piloter mes LEDs? Un pour chaque? Est ce que cela présentera un intérêt ou absolument pas?

J'utilise déjà une carte aluminium et je continuerai d'en utiliser!

[Qristoff]

Bonjour,

J'ai remarqué que la tension mesuré sur ma LED était de 4.2V quand j'attendais 2.85V.

tout dépend du modèle de diode que tu utilises !

Je suppose que vu que le courant est limité par le transistor,

pas exactement par le transistor. Q1, Q2, R1, R2 et D9 forment un générateur de courant, les autres transistors et résistances sont des recopies de courant. Le courant vu par chaque Led est égal à la tension de la zener divisée par la résistance d'émetteur des transistors.

Si je me dirige vers 5V, je vais donc (en simplifiant) utiliser 5V * 2.8A = 14W, alors qu'avec 3.3V j'aurais 3.3V * 2.8 = 9.24W.
Cela me parait vraiment embêtant. Y a-til quelque chose que j'ai loupé?

je t'ai expliqué (et bobflux aussi !) que pour des leds avec 2,85V de tension directe, c'est trop juste en 3,3V avec les effets liés.

[gregobry]

tout dépend du modèle de diode que tu utilises !

Ok, du coup j'ai continué de creuser avec vos conseils!
J'ai pu modéliser mes composants (LED, transistor) pour être représentatif de mon circuit.
J'ai aussi pu ajouter une composante température qui va pas mal m'aider à déterminer les scénarios extrêmes.
Merci pour tout les conseils/infos!
Cela ressemble à ça:
image (8).jpg

Cela a donc seulement légèrement modifié les valeurs initiales de mes resistances (6,8 6Ohms).

Dernier point, je vois un genre de rebond lorsque mon alimentation démarre. J'aurai bien aimé comprendre à quoi cela est dû?
image (9).png

[bobflux]

Attention :

Mais... même avec 9W seulement le circuit imprimé est trop petit pour dissiper toute cette puissance sans surchauffer. Est-ce que ça doit rester allumé en continu ou bien c'est juste pour un flash? Si c'est un stroboscope, quel rapport cyclique ? Si les LED ne sont allumées que 10% du temps par exemple, la chauffe ne sera que de 10% des 9W, donc là c'est bon.

[gregobry]

Le circuit est temporairement utilisé en continu mais le but final est d'avoir le signal stroboscopique avec un rapport cyclique plus faible.
Difficile de donner sa valeur sans avoir continué mes tests.
Qui plus est, le carte aluminium sera collé au chassis en aluminium usiné (via une pate thermique) pour dissiper le reste de chaleur.

Il y aura encore quelques analyses thermiques à faire.. Si besoin, je réduirai à 6 ou 4 LEDs l'ensemble.

[Patrick_91]

Hello,

Quels seraient les effets d'utilisation d'une résistance avec une valeur plus basse?

Ce n'est pas compliqué tu risques fire crever les Leds par emballement thermique ...

Est ce que je pourrais aussi envisager d'utiliser directement un régulateur linéaire pour piloter mes LEDs? Un pour chaque? Est ce que cela présentera un intérêt ou absolument pas?

Evidement mais depuis le début du fil tu alimentes tes Leds en "tension" donc tu risques tout flinguer ou bien ne pas assurer un rendement potable.
Mais ce régulateur linéare doit etre un générateur de courant , pas de tension. Le schéma fournit par @Qristoff présente un générateur de courant par Led , il faut l'adapter au courant que tu veux bien sur et arrêter de calculer une résistance série avec la Led, ce calcul ne marche pas pour les Leds de moyenne ou forte puissance...
Une fois bien alimentée tes Leds pourront etre pilotées en attaquant avec de crenaux sur la base des générateurs de courant ... cela devrait fonctionner mais il reste du boulot.
A plus

[gregobry]

Bonsoir!

J'ai donc continué avec le design en suivant les recommandations précédentes.
J'ai essayé de simuler différente diode Zener dans le système mais les effets sont minimes.
J'ai donc choisi cette référence de diode qui me semble correct pour le montage.

https://www.mouser.fr/ProductDetail/...2FVAOKUQ%3D%3D

Avec un résultat comme suit, environ 300mA sur ma LED pour ma tension d'alimentation de 5V, cela me convient:
image (10).jpg

Je voudrais être sur que je n'ai pas fait de bêtise ou oublié quelque chose avant de voir pour une fabrication.
Si une âme charitable pouvait y jeter un coup d'oeil, pour seriez des amours!

LED_BOARD_V2_1.zip

J'en ai profité pour faire un premier jet de mon circuit, et ça ressemble à ça:
image (11).png

Tout est rentré Qristoff!

Y a-t-il quelque chose de spécifique à prendre en considération lors du placement de mes composants pour ce type de montage?
Encore une fois, la carte sera en SMI et directement collé à un bloc aluminium pour les dissipations thermiques.
Le duty cycle sera aussi réduit pour éviter la surchauffe.

Merci encore pour tout vos bons conseils!
Bonne soirée

[Qristoff]

Bonjour,

J'ai donc choisi cette référence de diode qui me semble correct pour le montage.

ça ne va pas, c'est une 4,7V ! j'avais préconisé une 2,4V de mémoire.

J'ai essayé de simuler différente diode Zener dans le système mais les effets sont minimes.

ça m'étonnerais car c'est la valeur de la zener qui fixe le courant dans les leds !
Iled = Vz / Re avec Re la résistance d'émetteur des transistors.

[gregobry]

Bonjour Qristoff,

Je pense que le modèle Spice de mes diodes Zener est à la ramasse..
Je l'ai changé pour le modèle de chez Nexperia est le résultat est beaucoup plus probant!
Par contre, pour le même modèle d'un autre fournisseur, les résultat diffèrent énormément..
Pour exemple avec un BZX84-C2V4 de chez Nexperia:
image (12).jpg

et avec un BZX84-C2V4 de chez Diode incorporate:
image (13).jpg

Le Nexperia me semble beaucoup plus efficace mais il va me forcer à utiliser une resistance de plus faible valeur sur l'émetteur pour rattraper mon manque de courant.
La valeur adéquate se situant à environ 2 Ohms...
Dans ce cas là, je perds aussi la partie plate de ma courbe autour de mon 5V d'alimentation..

image (14).jpg

Je pensais donc utiliser la référence que j'ai trouvé.
https://www.mouser.fr/ProductDetail/...rqmPn6qw%3D%3D
Qui me donne les résultats suivant.
image (15).jpg

Mais cela ne me semble pas du tout correspondre à la valeur de ma Zener

Bonne journée!

[Qristoff]

Qu'est ce que tu as mis comme modèle de transistor ? Il faut qu'ils aient un bon gain et passer au moins 500mA. Tu peux regarder un BC817-40 https://docs.rs-online.com/1c7f/0900766b813856bf.pdf

[gregobry]

J'ai essayé avec BC817-40, ça me parait pas trop mal mais je trouve que la stabilisation arrive un peu tard, vers 5.3V.
Ne faudrait-il mieux pas que j'utilise une diode Zener un peu plus petite du coup? 2V ou 2.2V?


J'ai remarqué que la plupart des modèles Spice donne une tension Zener 2x plus petite que celle attendue..
C'est attendu ou c'est simplement un problème dans le modèle?
Par exemple 1V pour diode de 2V, 1.1V pour diode de 2.2V, 1.2 pour diode de 2.4V?
Du coup j'ai toujours de fausses valeurs en sortie de mes graphiques..

[Qristoff]

Tous les transistors tirent un peu de courant sur le courant de polarisation de la zener, du coup elle est peut être sous polarisée. Soit tu baisses la résistance de 56 ohms, soit tu prends une zener avec un courant de polarisation plus faible voir MMBZ4617