Schaltungsbeschreibung
Die Schaltung besteht aus einer konstanten Stromquelle, als deren Last wird das Netz von LEDs angeschlossen. Die Stromquelle wird aus dem Operationsverstärker und einen n-Kanal MOSFETs aufgebaut. Das Netz der LEDs besteht aus 4 Strängen, in jedem Strang befinden sich 3 LEDs, in Anordnung von rote Diode, blaue Diode und rote Diode. Rote Dioden emmitieren Licht mit Wellenlänge von 660nm, und blaue Dioden mit 470nm. In LTspice-Schaltung wurden die LEDs mit ohmschen Widerständen ersetzt, um die Simulation zu ermöglichen.
Es gibt zwei Versorgungsspannungen, Quelle V1 von 5 V, die durch einen Spannungsteiler (Widerstände R(7) und R(8)) und ein Potentiometer den nichtinvertierenden Eingang des OPVs versorgt. Das Potentiometer dient zum Fine-Tuning, falls andere Bauteile oder Signale Abweichungen von angenommenen Werten aufweisen. Quelle V2 von 12 V, die zur Versorgung der Dioden und des OPVs geeignet ist.
Die Schaltung wird mit einem Temperatursensor verbunden. Wenn der Temperatursensor registriert niedrige Temperatur der Umgebung, wird von ihm die Spnannung von 0,8 V geschickt, die macht den p-Kanal MOSFET (FDC5614P) leitend . Deshalb wird der + Eingang des OPVs mit 2,6 V versorgt, also Ausgangsspannung des OPVs ist jetzt so gesteuert, um das n-Kanal MOSFET (UF640L) geeignete Strome durchlass.
Deswegen fließt der Strom durch die Dioden – die Pflanzen werden durch die Dioden beleuchtet. Wenn der Temperatursensor registriert hoche Temperatur der Umgebung, wird von ihm die Spnannung von 3,8 V geschickt, die sperrt den p-Kanal MOSFET (FDC5614P) . Deshalb wird der + Eingang des OPVs mit 0 V versorgt, also Ausgangsspannung des OPVs ist auch Null, das n-Kanal MOSFET (UF640L) sperrt und fließt kein Strom durch die Dioden – die Pflanzen werden nicht durch die Dioden beleuchtet.
In der Schaltung stehen zwei Kondensatoren. Beide funktionieren als Tiefpassfiltern und versichern die Schaltung von hochfrequenten Schwingungen. C1 glättet die Spannung an den Gates von n-Kanal MOSFETs und C2 glättet die Versorgungsspannung von 12 V. Die Widerstände R1 und R2 versichern andere Bauteile vor unerwartet hochen Spannungen.
Die Schaltung ist auch mit drei Jumpers ausgerüstet, um die Spannungsbemessungen zu vereinfachen.
Schnittstellen
LEDs-Netz benötigt zwei Versorgungsspannungen (5V und 12V) von der Versorgungsgruppe.
Schaltung
EsgibteineStelle,inderensichdiereelleSchaltungvonderEagle-Schaltungunterscheidet. Statt nMOS in jeder LED-Strang, wird nur ein nMOS (UF640L) in der gesamten Schaltung angewendet. Vier LED-Stränge wurden in der Praxis gleich nach den letzen LED kurzgeschlossen und zusammen mit dem Drain der nMOS verbunden. Ursache dieser Änderung ist unsymmetrisches Verhalten der MOSFET. An dem nMOS wird ein Kühler angeschlossen, um die Überhitzung zu verhindern. Trotz der kleinen Änderung, lässt sich die veränderte Schaltung auf der Platine, die auf der Basis von oben präsentierten Schaltung, einfach bestücken.
Funktionsweise
In dem LED-Netz es gibt 4 Stränge, jeder Strang kann mit maximalem Strom von 700mA durchgeflossen werden (größerer Strom verletzt die Dionen). Das Ziel der Stromquelle ist in jedem Strang den Strom von 650mA zu treiben, also 2,6 A insgesamt. Für den Wert des Shunt-Widerstandes wird 1Omega gewählt. Das bedeutet, dass der Wert der an dem Shunt-Widerstand entstehende Spannung 2,6 V betragt. Die Spannung von 2,6 V wird dem invertierenden Eingang des OPVs übergegeben. Dazu wird der nicht invertierende Eingang der OPVs an konstante Spannung von 2,6 V eingestellt. OPV versucht die Differenzspannung immer bei Null halten, deswegen wird die Ausgangspannung des OPVs so gesteuert, um Spannung von 2,6 V an dem Shunt Widerstand stets zu halten, also Strom von 650mA pro Strang und 2,6 A insgesamt.
Dimensionierung
Eine Sache, die in der Schaltung Dimensionierung benötigt, sind die Widerstände, aus denen der Spannungsteiler besteht. Sie wurden so dimiensioniert, um in der Verknüpfung mit einem Potentiometer einen Fine-Tuning des + OPV-Eingangs im Bereich von ca. 1,5 V bis ca. 3,5V zu ermöglichen.
Andere Sache, die man dimensionieren musste, ist der Wert des Shunt-Widerstandes. Dessen Wert wird so gewählt, damit sich mit dem durchfließenden Strom von 2,6 A an die erreichbare Spannung von 5 V von der Versorgunsggruppe anpassen zu können.
Simulation
DiegesamteSchaltungwirdmitLTspicesimuliert.DieSchaltungwirdpräsentiertuntenin den Abbildungen. Es gibtinsgesamt 8Messpunkte : die Spannung desnicht invertierenden Eingangs von dem OPV (Vn008), die Spannung des Ausgangs vom OPV (Vn010), die drittebisdiesechstesinddieStröme,diejeweilsinjedemStrangdurchfließen(I(R3),I(R4), I(R5), I(R6), die sind alle gleich!), die Spannung über den Shunt-Widerstand (Vn011) und der Strom, der durch ihn fließt (I(Rshunt)). Die Simulationsergebnisse sind in der
folgenden Abbildung zusehen (bitte beachten:Vn008=Vn011,I(R3)=I(R4)=I(R5)=I(R6)). Die oben genannte Änderung wird in der Simulation schon berücksichtigt, also sieht die reelle Schaltung gleich wie die LTspice-Simulation aus.
Bauteillisten
Die wir in diesem Projektpraktikum verwendeten Bauteilelisten stehen folgendenmaßen: ein N-Kanal MOSFET (UF640L) ein P-Kanal MOSFET (IRF9530) ein Operationsverstärker (TL071) ein RTRIM Poti mit Bereich 0 bis 1kΩ ein Shuntwiderstand mit dem Wert 1 und 5W LeistungΩ 4 Widerstände jeweils mit dem Wert 100Ω, 10kΩ, 820Ω, 222Ω
Layout
Wie schon vorher besagt, beeinflussen die oben genannte Änderung das Betrieb der Schaltung nicht, und die funktionierende Schaltung lässt sich auf einer nicht akutellen Platine bestücken.
Theorie
Zwei wichtigste Begriffe der Schaltung sind Operationsverstärker und n-Kanal sowie p-Kanal MOSFET.
Aufbau- und Abgleichanleitung/Einstellmöglichkeiten
Die gesamte Schaltung wird mit einem Potentiometer ausgerüstet, mit dessen Hilfe lässt sich die Spannung des nicht invertierenden Eingangs des OPVs im Bereich von ca. 1,5 V bis 3,5 V einstellen. Mit Hilfe des Temperatursensor lässt sich auch die gesamte Schaltung ein- und ausschalten.