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Mini lampada LED con PIR - Guida al calcolo dei parametri.

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Mini lampada LED con PIR - Guida al calcolo dei parametri.

Messaggioda Foto UtenteTurk182 » 19 mar 2021, 15:15

Salve a tutti,
Vorrei realizzare delle piccole lampade LED per uso notturno, attivate dal movimento, impiegando LED standard da 5 mm. e basse tensioni DC regolate, diciamo comprese tra 5 e 12 volt (15V massimo).

Tra i molti circuiti disponibili in rete, ne ho scelto uno in particolare, questo:

LED_PIR_Basic_Circuit.png

Link: https://www.instructables.com/LED-Light-With-PIR-Motion-Sensor-Soft-Onoff-and-3y/

Riporto alcune note dell'Autore sul circuito mostrato:
1 - Il circuito impiega un comune sensore PIR HC-SR501 per il rilevamento del moto.
2 - Il segnale in uscita dal sensore PIR (Out), attraversa un filtro RC "Time Constant", ed è impiegato per ritardare accensione e spegnimento (soft-on, soft-off) in funzione della combinazione di R1 e C1.
Con i valori mostrati (R1=10K, C1=100uF) il ritardo è di un secondo.
3 - Il segnale viene amplificato da una coppia di transistor BJT NPN (in configurazione Darlington) e non da un singolo transistor, proprio per compensare la caduta di tensione/corrente, causata da R1.

Purtroppo ho una limitata conoscenza teorica dell'elettronica e vorrei un aiuto per capire come adattare il circuito a differenti combinazioni di LED o a una diversa tensione di alimentazione, facendo in modo che lavori nelle condizioni ottimali e per quello che il circuito permette, sprecando meno corrente possibile. Questo, mantenendo comunque il filtro RC (R1 + C1).

Naturalmente non cerco qualcuno che faccia i calcoli per me, ma piuttosto che sia disponibile a spiegarmi il giusto approccio al circuito, i ragionamenti, le formule e passaggi necessari per calcolare il valore corretto dei componenti e verificare che funzioni correttamente.


Riporto un paio di possibili scenari, da utilizzare come esempi applicativi.

Esempio A - Adattare il circuito per un singolo LED (Vf = 3,4V, If = 20 mA.) con una tensione DC a 5V.
Esempio B - Adattare il circuito per una serie di 3 LED (Vf = 3,2V, If = 20 mA.) con una tensione DC a 12V.

Questi, i transisto NPN di cui dispongo:
BC547B/C, BC548B/C (max. 100 mA, hFE = 200 - 450)
MPS2222AG (600 mA, hFE = 100 - 300)
PN2222A (500 mA, hFE = 100 - 300)

Faccio presente che il mio multimetro può misurare l'hFE di transistor NPN e PNP.
Suppongo che utilizzare valori di guadagno effettivamente misurati possa portare a risultati più precisi e forse semplificare i calcoli. E' così?

Resto a disposizione per eventuali chiarimenti.

Saluti,
Marco
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[2] Re: Mini lampada LED con PIR - Guida al calcolo dei parametr

Messaggioda Foto UtenteTITAN » 19 mar 2021, 16:08

Stando su un aiuto semplice se diminuisci la V a 5 volt direi che basta ridurre R 2 a 18 o massimo 15 ohm.
Se invece vuoi aumentare la V (se sopportata dal pir) devi raddoppiare la R 2.
Se vuoi mettere più di un led fino a max 3 in serie con 12 V dovresti farcela riducendo R 2.
Su un led richiede 3.4 V ,tre led richiederanno tre volte la tensione e comunque la V led non dovrà mai essere superiore od uguale alla V di alimentazione ma sempre un po meno per avere con un resistore in serie
una limitazione di corrente.
Proprio in questi giorni stavo guardando in rete per acquisto di lampade automatiche a rilevamento presenza.
Se hai domande particolari penso basta esporle che avrai un aiuto da questa comunità.
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[3] Re: Mini lampada LED con PIR - Guida al calcolo dei parametr

Messaggioda Foto Utentestefanopc » 19 mar 2021, 16:57

Per caso hai a disposizione anche qualche mosfet da 1 A tipo irfd110 o simili?
Altrimenti io userei un npn e un pnp.
Di pnp ne hai a disposizione?
La resistenza sull'emettitore mi fa venire i brividi.
Io la metterei tra + vcc e il diodo e l'emettitore lo colleghterei a - vcc
Ciao
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[4] Re: Mini lampada LED con PIR - Guida al calcolo dei parametr

Messaggioda Foto Utenteelfo » 19 mar 2021, 17:09

4.5 - 20 V e' il range di tensione di funzionamento del PIR
Il PIR ha una tensione stabilizzata al suo interno a 3.3 V
3.3 V e' anche la tensione di uscita del PIR (indpendente dalla tensione di alimentazione del PIR).

https://win.adrirobot.it/sensori/pir_se ... rduino.htm

La corrente che scorre nel(i) LED e' dipendente solo da 3.3 V e R (indipendente dalla tensione di alimentazione del PIR)

1 V e' la Vce del darlington

3.4 V e' la tensione del(i) Led

Con un Led abbiamo una Val(minima)

Val= 3.3 -1.4 + 1 +1 \cdot 3.4 = 6.3 V

con 3 led abbiamo una Val(minima)

Val= 3.3 -1.4 + 1 + 3 \cdot 3.4 = 13.1 V
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[5] Re: Mini lampada LED con PIR - Guida al calcolo dei parametr

Messaggioda Foto UtenteTurk182 » 19 mar 2021, 17:43

Ciao Titan, grazie per la veloce risposta.
Si, mi è abbastanza chiaro che R2 determina la corrente che fluisce al led, così come il fatto di usare una tensione di alimentazione un po superiore Vf (tot) del led, o dei led impiegati.
Ma sono certo che esiste un corretto approccio "logico", per adattare il circuito ad uno specifico carico e mi piacerebbe conoscerlo.
Intendo proprio il pacchetto completo, quello che di solito si cerca di evitare, per arrivare subito alla soluzione del proprio problema. :-)
Se possibile, preferisco capire il concetto, il procedimento e le formule coinvolte, per poterlo replicare autonomamente.
Ad esempio quale transistor scegliere e se sia sufficiente (o utile) impiegarne uno solo oppure una copia per aumentare il guadagno, quali calcoli vadano effettuati, o come sfruttare la misurazione del guadagno via multimetro.

Rispondendo anche a Stefanopc, so che esistono molte varianti, ma preferirei rimanene su questo tipo di circuito.
In ogni caso ho anche alcuni PNP ma non molto potenti (100 mA) e degli NPN SS8050 da 1,5 A, ma credo sarebbero sprecati, per un assorbimento che suppongo sia sempre di 20 mA.
Non hai spiegato perché R2 ti fa venire i brividi.
Credo che il circuito di per sè, non abbia niente di sbagliato, sia perché l'autore sembra conoscere il fatto suo, sia perché mi è capitato di vederlo consigliare come variante di circuiti simili, come in questa pagina:
(circuito in verde)
https://electronics.stackexchange.com/q ... led-driver
oppure in questa:
https://electronics.stackexchange.com/q ... on-emitter
(il terzo circuito nella pagina)

Grazie mille Elfo...!
E' la giusta direzione. Mi prendo un po di tempo per analizzare i calcoli.
Una domanda.
Il tuo calcolo prevede di utilizzare un darlington, oppure due transistor (identici o non), in configurazione Darlington?
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[6] Re: Mini lampada LED con PIR - Guida al calcolo dei parametr

Messaggioda Foto Utenteelfo » 19 mar 2021, 18:10

Turk182 ha scritto:Il tuo calcolo prevede di utilizzare un darlington, oppure due transistor (identici o non), in configurazione Darlington?

Come vedi dallo schema qui sotto occorre che il guadagno del darligton (integrato o realizzato con due transistor in configurazione darlington :D ) sia maggiore di 2000 per avere una caduta di tensione trascurabile (es. 100 mV) sulla resistenza da 10 kohm.

Se I due transistor fossero uguali (ma non e' necessario) i loro guadagni individuali dovrebbero essere >= 47.

47 * 47 = 2209

Un buon progetto non si basa sul guadagno dei transistor: e' sufficiente specificare il guadagno minimo.
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[7] Re: Mini lampada LED con PIR - Guida al calcolo dei parametr

Messaggioda Foto Utentestefanopc » 21 mar 2021, 1:48

Ho provato a modificare un po' il progetto per avere piu ritardo con un condensatore piu piccolo (in modo da usare un piccolo tantalio) e maggior tensione su R ( maggiore stabilita della regolazione in corrente).
Servono un PnP e un NpN.
Ciao

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[8] Re: Mini lampada LED con PIR - Guida al calcolo dei parametr

Messaggioda Foto UtenteTurk182 » 21 mar 2021, 11:50

Buongiorno a tutti,
Partendo dalle indicazioni di Elfo, riassumo i calcoli principali.
(Ho dovuto mettere un po di parentesi, altrimenti non mi tornavano i conti... ;-) )

A - Calcolo della Val (minima):

Val = (Vout - 2*Vbe) + Vce + (n*Led * VfLed)


B - Verifica per rimanere al di sotto della Val (massima):

(Vout - 2*Vbe) + Vce + n*Led < Val < 20 V (max PIR voltage)


C - Calcolo del guadagno minimo della coppia Darlington:

Hfe > ILed / (Caduta di tensione / R1)


D - Soddisfatte queste condizioni, si può determinare il valore della resistenza R2 sull'emettitore di TR2:

Re (R2) = (Vout - 2*Vbe) / ILed


Le formule sono giuste?

Vorrei approfondire alcuni punti.
Ad esempio, prendo atto che nel calcolo del guadagno del Darlington, si consideri il guadagno minimo.
Per curiosità, ho provato a misurare l' hFE di alcuni BC547C, BC548C.
Il valorte era mediamente sui 520, quindi decisamente più alto di quello minimo.
Ne deduco che la strada giusta sia affidarsi ai parametri riportati nel datasheet.
Metto a confronto i parametri dei BC547C/BC548C, con quelli dei PN2222A:

BC547-BC548_C.PNG


PN2222A.PNG


Link ai datasheet:
https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/bc546-d.pdf
https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/pn2222a-d.pdf

Sembra che il guadagno cambi principalmente in funzione della Ic.
Con una Ic di circa 1-2 mA, i BCxxx dovrebbero avere una hFE minima sui 420, mentre per i PN2222A dovrebbe essere di 50 o poco più.

Tornando alla condizione "C", circa il guadagno minimo del Darlington e riferendomi all'esempio di Elfo,
in entrambi i transistor si dovrebbe avere un guadagno minimo di almeno 2000 (47 * 47 = 2209), ma se per i PN2222A è solo di poco superiore, per i BCxxx diventa spaventosamente alto.
perché questo non è un problema?
Perché qualunque guadagno superiore al minimo andrà comunque bene e non darà problemi al circuito?

Alcuni dubbi:

- Nel calcolo di "A", viene considerata sia la Vbe che la Vce e presumo sia riferita a quella di saturazione (sat). In quel caso va considerato il parametro minimo, tipico o massimo?

- Assumendo che il darlington usato sia composto da due transistor uguali, il valore della Vce da usare nel calcolo "A" è quello del singolo transistor o la somma dei due? (TR1 + TR2)
Nell'esempio di Elfo, la Vce ha un valore di 1. Nel caso di una coppia con BCxxx, oppure con PN2222A, che valore andrebbe considerato?

- Come verifico che la mia coppia darlington possa sopportare la corrente richiesta dai led?
(Il limite per i BCxxx dovrebbe essere di 100 mA, mentre per i PN2222A è di 500 mA)
C'è una formula per calcolarla?

- La resistenza Rb (R2) che potenza deve sopportare?
(posso calcolare anche questo parametro?)

Lo so, sono tante domande, abbiate pazienza. :roll:

Stefanopc, grazie.
Prendo atto anche del tuo circuito NPN + PNP.
Il vantaggio principale del tuo, a parte il transistor in meno, è di avere una maggiore stabilità nella regolazione di corrente?
Ci sono altri vantaggi o svantaggi, rispetto al circuito con il Darlington?

Saluti,
Marco
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[9] Re: Mini lampada LED con PIR - Guida al calcolo dei parametr

Messaggioda Foto Utentestefanopc » 21 mar 2021, 14:34

I vantaggi sono una maggiore stabilità della corrente maggiormente dipendente dalle caratteristiche resistenza.
Il condensatore posizionato tra C e B dovrebbe impedire le autosciillazioni cosa non impossibile nell'altro circuito.
Il valore di C è circa 20 volte inferiore e questo consente maggiormente la miniaturizzazione del circuito e di utilizzare componenti maggiormente adatti.
I transistor sono sempre due disposti diversamente.
Io l'ho provato su bread board e va bene.
I transistor se guardi sui datasheet e vedi una corrente di collettore di almeno 50mA vanno bene.
Ciao
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[10] Re: Mini lampada LED con PIR - Guida al calcolo dei parametr

Messaggioda Foto Utenteelfo » 21 mar 2021, 23:19

Turk182 ha scritto:Le formule sono giuste?

Sarebbero state "piu' giuste" se le avessi scritte in Latex :D

A) Calcolo della Val (minima):

Val = Vout - 2 \cdot Vbe + Vce + n \cdot VLed

Ok - ma solo se si ritene trascurabile la tensione che "casca" sulla resistenza da 10 k (vedi poi)

C) Calcolo del guadagno minimo della coppia Darlington:

hfe > \frac {ILed} {\frac {Caduta-di-tensione}{ R1}}

Caduta-di-tensione << 2 \cdot Vbe (se vogliamo "vera" la A)

D) valore della resistenza R2 sull'emettitore di TR2

Re (R2) = \frac {Vout - 2 \cdot Vbe}{ILed}

Turk182 ha scritto: Sembra che il guadagno cambi principalmente in funzione della Ic.

Tornando alla condizione "C", circa il guadagno minimo del Darlington e riferendomi all'esempio di Elfo,
in entrambi i transistor si dovrebbe avere un guadagno minimo di almeno 2000 (47 * 47 = 2209), ma se per i PN2222A è solo di poco superiore, per i BCxxx diventa spaventosamente alto.
perché questo non è un problema?
Perché qualunque guadagno superiore al minimo andrà comunque bene e non darà problemi al circuito?

Il guadagno e' funzione della Ic ed andrebbe considerato quello alla effettiva corrente di funzionamento.
Ad esempio il transistor "a sx" del darlington lavora ad una corrente (molto) inferiore di quello di dx.

Se guardi la formula D) (in cui e' presente ILed) vedi che l'hfe non compare.

L'hfe compare solo nella formula C) dove e' presente R1

Se R1 non fosse presente (o avesse valore 0 (zero)) l'hfe non avrebbe importanza e il darlington non avrebbe ragione di esistere.
R1 "esiste" solo per introdurre un "ritardo" insieme con C

Vedi schema qui sotto.
Turk182 ha scritto:Nel calcolo di "A", viene considerata sia la Vbe che la Vce e presumo sia riferita a quella di saturazione (sat). In quel caso va considerato il parametro minimo, tipico o massimo?
Nell'esempio di Elfo, la Vce ha un valore di 1. Nel caso di una coppia con BCxxx, oppure con PN2222A, che valore andrebbe considerato?

Il darlington non satura - la spiegazione richiederebbe un post a parte - e la Vce posta a 1 V e' un valore "ballpark" per quel darlington a quella corrente.
L'errore che si commette facendo una stima e' piccolo rispetto alle altre tensioni in gioco.
Turk182 ha scritto: Come verifico che la mia coppia darlington possa sopportare la corrente richiesta dai led?
(Il limite per i BCxxx dovrebbe essere di 100 mA, mentre per i PN2222A è di 500 mA)

IC max BCxxx = 100 mA > 20 mA

Quello che invece occorre considerare e' la potenza dissipata dal transistor.

La potenza vale

P= Ic \cdot Vce

Facciamo un esempio estremo:

Val= 20 V (la max possibile)

nLed= 1 (3.4 V)

VR= 3.3 - 1.4= 1.9 V

Vce = 20 - (3.4 + 1.9)= 14,7 V

Ic= 20 mA

P= 14,7 \cdot 0.02 = 294 mW

La Pmax del BCxxx e' 625 mW (con Tj 150 ^{\circ}C) (la spiegazione richiederebbe un post a parte)
Turk182 ha scritto: La resistenza Rb (R2) che potenza deve sopportare?
(posso calcolare anche questo parametro?)

PR= I^2 \cdot R - usa una resistenza con potenza dissipabile > 3 \cdot PR
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