Kontrolka LED włączająca się po obciążeniu zasilacza samochodowego USB 5V

Witam,
Wykonując samochodowy zasilacz/"ładowarkę" USB dla urządzeń przenośnych natknąłem się na mały problem - w jaki sposób kontrolować podłączenie urządzenia do ładowarki (blok zaznaczony ?? powinien zawierać diodę LED włączającą się po wykryciu obciążenia wyjścia zasilacza, załóżmy przy 100mA gdyż urządzenia pobierają zazwyczaj więcej prądu, natomiast wyłączoną przy obciążeniu poniżej 100mA).
Schemat (właściwie to idea) opiera się na najprostszym regulatorze +5V (w zależności od dostępnego podzespołu będzie to 1.5A lub 2.2A max prąd wyjściowy).
Wiem że na wyjściu szeregowo do odbiornika/urządzenia ładowanego należy wpiąć rezystor próbkujący prąd (a może diodę) na którym otrzymamy spadek napięcia ale ten można zrekompensować diodą/diodami (0,6V na diodę) wpiętą do GND regulatora (na wyjściu zasilacza ma być zachowany standard napięciowy USB tzn, U=4,75-5,52 [V]. Nie mam zbyt wiele miejsca (zarezerwowane na radiator) więc jeśli to możliwie to najprostsze rozwiązania mile widziane (pewnie jakiś tranzystor zaczynający przewodzić przy prądzie załóżmy 100mA płynącym przez rezystor próbkujący Rp, może wersja bez rezystora próbkującego Rp). Dodam że będą podłączane różne urządzenia (tablet, telefon, etc) więc wpięcie szeregowo z obciążeniem diody LED nie wchodzi w grę ze względu na dynamiczną rezystancję obciążenia.



Prosiłbym o jakieś sensowne przemyślenia oraz schematy. Nie jestem doświadczonym elektronikiem, umiejącym analizować układy elektroniczne więc w miarę możliwości prosiłbym o wyjaśnienie propozycji.

Zależy mi na tym ponieważ podczas jazdy samochodem świecąca dioda LED może rozpraszać. Jeśli nie korzystamy z żadnego urządzenia wpiętego w port ładowarki wówczas mamy problem z głowy, natomiast jeśli coś jest wpięte może służyć jako wskaźnik dla użytkownika że port jest aktywny i urządzenie pobiera prąd z portu USB.
"Po co??", "Dlaczego ??", "Nie lepiej ??" - uprzedzam pytanie - to kaprys żony.

Proszę o pomoc.

Dodano po 5 [godziny] 11 [minuty]:

Co sądzicie o takim oto rozwiązaniu:



Spadek napięcia na diodach D1..D3 (1N5400) stanowi polaryzację diody LED (3x1[V] =3[V] w przypadku zamknięcia obwodu wyjściowego zasilacza/ładowarki obciążeniem (tj. telefon, tablet, etc). Przy braku obciążenia obwód jest otwarty przez co nie płynie prąd przez diody D1-D3 oraz LED. Diody D4-D6 stanowią kompensację spadku napięcia na diodach D1-D3.
Jednak pojawia się zasadnicze pytanie: Jaki wpływ na stabilizację napięcia wyjściowego będzie miała owa modyfikacja. Czy napięcie będzie zgodne ze standardem napięciowym USB (4.75-5.25 [V]). Z informacji znalezionych online wiem że im bardziej GND stabilizatora jest powyżej 0V tym bardziej napięcie wyjściowe jest niestabilne. A może ktoś ma jakieś rozwiązanie z tranzystorem???
Proszę o pomoc.

Pod linkiem poniżej znajduję się noty katalogowe diody 1N5400:
http://www.fairchildsemi.com/ds/1N/1N5408.pdf

Czujnik prądu dajesz przed stabilizatorem, nie za nim. A wtedy oczywiście nie musisz majstrować z masą stabilizatora. Poza tym w szereg z LED będzie zapewne potrzebna jakaś niewielka rezystancja, musisz to sprawdzić.

Rozwiązanie jest proste: należy "wpiąć" element szeregowy (opornik) przed stabilizatorem, wówczas nie będzie problemu ze spadkiem napięcia na jego wyjściu i nie będzie trzeba niczego kompensować. Należy tylko zadbać aby spadek napięcia na tym elemencie nie obniżył zanadto napięcia na wejściu stabilizatora +5V w całym zakresie prądu wyjściowego.

Zwykłe stabilizatory +5V (jak np. 7805) przy pełnym prądzie wymagają na wejściu ok. 7.5V, przy minimalnym napięciu akumulatora 10V zostaje jeszcze 2.5V dla elementu szeregowego. Zastosowałbym opornik Rs zbocznikowany dwoma połączonymi szeregowo diodami 3A (np. 1N5401), które przejmowałyby nadmiar prądu kiedy napięcie na oporniku zbliżałoby się do ich łącznego napięcia przewodzenia (1.2-1.4V). Napięcie to jest za małe, żeby bezpośrednio zaświecić LED, więc trzeba jeszcze dodać tranzystor PNP (np. BC558) z opornikiem ograniczającym w bazie (np. 10kΩ) i oraz opornikiem Rc i diodą LED od kolektora do masy. Tranzystor zacznie przewodzić gdy napięcie na oporniku szeregowym Rs osiągnie ok. 0.6V, więc przykładowo dla prądu 50mA opornik Rs=0.6V/0.05A=12Ω (prąd spoczynkowy nieobciążonego stabilizatora jest za mały, żeby właczyć tranzystor). Prąd diody LED można ustalić dobierając wartość opornika Rc (np. dla 1.5kΩ prąd wyniesie od 5 do 9mA w zależności od napięcia akumulatora). Tak więc: od PLUS baterii do IN stabilizatora opornik Rs i równolegle dwie diody, emiter PNP do PLUS baterii, baza PNP przez 10kΩ do IN stabilizatora, kolektor PNP przez Rc i LED do masy.

Stabilizator oczywiście powinien mieć niewielkie kondensatory (min. 0.1-0.33µF) na wejściu i na wyjściu, tak jak podano w karcie katalogowej. Można jeszcze za radą z karty katalogowej dołożyć diodę 1A (np. 1N4001) zabezpieczającą stabilizator przed pojawieniem się obcego napięcia na wyjściu (powinna być dołączona anodą do OUT a katodą do IN). Sytuacja taka może powstać gdy podłącza się do wyjścia urządzenie USB z naładowanym elektrolitem podczas gdy akumulator jest odłączony (mało prawdopodobne ale to tylko jedna dioda). Moc opornika Rs dla maksymalnego spadku limitowanego przez diody i dla wartości 12Ω wyniesie P=1.4²/12=0.16W, opornik 0.25W powinien wystarczyć, na wszelki wypadek można dać 0.5W. Moc wydzielana w pozostałych opornikach jest do pominięcia.

Zatem, uwzględniając porady, układ będzie wyglądał następująco:



D3= 1N4001
Cin=330nF (ceramiczny, ewentualnie tantalowy 25V)
Cout=100nF (ceramiczny, ewentualnie tantalowy 25V)

Układ samej "kontrolki LED" przedstawia się następująco:



D1,D2 = 1N5401 (dioda prostownicza 3A)
T1=BC558 (bipolarnyPNP)

Rs=20Ω [0,5W] = 2V/0,1A (Ud1+Ud2)/prąd przy którym kontrolka ma się zapalić =100mA
Rb= ..... jak wyliczyć tę wartość ???
Rc= 560R (przyjmując prąd diody w granicach 18mA (dla Uin=10V) do 25mA (dla Uin=14V)

No i tu pojawiają się rozbieżności w stosunku do podanych przez kspro w poprzednim poście. Spadek na diodach D1 oraz D2 przy polaryzacji przewodzącej zgodnie z danymi katalogowymi wynosi 1V (Ud1,Ud2). Proszę o łopatologiczne wytłumaczenie mi jak wyliczono takie wartości. Jestem laikiem i chciałbym to zrozumieć by uniknąć nieporozumień i zawracania głowy na przyszłość.

Spadek na dwóch diodach przy prądzie mniejszym niż 3A będzie mniejszy od 2V (raczej około 1,4V). Diody mają tylko zapobiec nadmiernemu wzrostowi spadku na Rs.
Rb dobrać tak, aby prąd bazy T1 nie był zbyt duży - przyjmując 1mA, będzie to R=1,4V/1mA=1,4kΩ.
Dioda zacznie (słabiej) świecić przy prądzie niższym niż 100mA, ponieważ tranzystor zacznie się otwierać przy spadku na Rs rzędu 0,5-0,6V.

Może i jesteś laikiem w elektronice ale od razu poznać dobrego inżyniera, bo bezbłędnie odczytałeś moje wskazówki i narysowałeś poprawny i bardzo ładny schemat. Ja jestem elektronikiem a schematu nie wstawiłem, bo mam Linuxa do internetu a schematy tworzę starym OrCADem DOS-owskim, dlatego mam problemy z przenoszeniem schematu między systemami. Drukarki nie mam, więc musiałem nawet napisać sobie konwerter z formatu rastrowego OrCAD do BMP, żeby móc wydrukować u kogoś innego. Jak to się mówi, szewc bez butów chodzi, ale mniejsza o to.

Z tym napięciem przewodzenia diod 1N5401 to tylko tak sobie strzeliłem, że będzie w granicach 0.6-0.7V dla pojedynczej diody, tak naprawdę będzie ono zależało przede wszystkim od prądu i od temperatury. Charakterystyka napięciowo-prądowa diody (a konkretnie idealnego złącza P-N) opisana jest zależnością:
I = IS * (exp U/UT - 1)
gdzie I - prąd diody, U - napięcie diody, IS - prąd nasycenia złącza,
UT = kT/q - potencjał termodynamiczny (k - stała Boltzmanna, T - temperatura [K], q - ładunek elektronu)
Charakterystyka odwrotna:
U = UT * ln (I/IS + 1)
Charakterystyka ta dotyczy idealnego złącza z cienką bazą (cokolwiek by to znaczyło), w rzeczywistości zarówno prąd nasycenia jak i potencjał termodynamiczny zależą od technologii wykonania złącza, koncentracji domieszek, profilu domieszkowania, itp. Na przykład prąd nasycenia zależy głównie od powierzchni złącza (dużej w przypadku diody prostowniczej) a potencjał termodynamiczny może zawierać jeszcze dodatkowy czynnik choć zazwyczaj przyjmuje się, że w temperaturze pokojowej wynosi on ok. 25mV i takie założenie w praktyce wystarcza do obliczeń czy oszacowań.

Tak więc dla diody 3A spadek napięcia w granicach 0.7-0.9V może wystąpić dopiero przy prądzie 1-3A, dla mniejszych prądów może być mniejszy (powiedzmy, że nawet 0.5V). Do tego może się on zmieniać w zależności od temperatury (zarówno otoczenia jak i spowodowanej samonagrzewaniem, zazwyczaj przyjmuje się, że napięcie złącza krzemowego maleje o 2mV na każdy stopień). To samo dotyczy złącza B-E tranzystora, które jest w istocie diodą, tyle że na bardzo mały prąd. Biorąc to pod uwagę zaproponowałem dwie diody 3A, bo wówczas jest gwarancja, że ich łączne napięcie będzie większe od UBE, przy którym popłynie prąd bazy na tyle duży, żeby całkiem włączyć tranzystor. Opornik RB ma tylko ograniczyć ten prąd do rozsądnej wartości, bez niego nadmiar prądu nie popłynąłby przez diody 3A, które jeszcze nie zaczęłyby przewodzić, tylko przez złącze B-E, niszcząc je.

Współczynnik wzmocnienia prądowego β = IC/IB typowego tranzystora małej częstotliwości małej mocy (takiego jak BC558) wynosi typowo od 200 do 500 i więcej. Tranzystor z grupy B (BC557B, BC558B, BC308B) będzie miał β=250 min. Dzisiejsze diody LED zazwyczaj palą się jasno już przy prądzie 2-3mA. Zakładając z zapasem, że potrzebny jest prąd kolektora 5mA można obliczyć opornik w kolektorze RC a także wymagany prąd bazy I=5mA/β=0.02mA. Jest to minimalny prąd bazy, można go zwiększyć na wypadek rozrzutów parametrów i w celu zapewnienia lepszego nasycenia tranzystora, ale tak czy siak prąd IC nie wzrośnie ponad wartość wynikającą z napięcia akumulatora i opornika RC. Tak więc formalnie rzecz biorąc:
RC = (UBAT - ULED)/ILED
RB = (2*UD3A - UBE)/IB
Zakładając napięcie przewodzenia ULED=2V, minimalne napięcie baterii 10V i tranzystor nasycający się niemalże do zera, mamy RC=(10-2)/5=1.6kΩ. W tych warunkach tranzystor z β=250 powinien wchodzić w nasycenie już przy prądzie bazy 0.02mA. Zakładając IB=0.1mA, UBE=0.6V oraz UD3A=0.5V, mamy RB=(2*0.5-0.6)/0.1=4kΩ. Przy większym spadku na diodach 3A prąd bazy będzie oczywiście odpowiednio większy, ale najważniejsze jest to, że nigdy nie przekroczy dopuszczalnej wartości.

W sumie wszystkie te obliczenia mają charakter szacunkowy. Układ będzie działał niezależnie od tego czy da się w bazę 1kΩ czy 10kΩ, co najwyżej nieco zmieni się punkt całkowitego włączenia się tranzystora. Oczywiście w tak prostym układzie próg zadziałania nie będzie ostry i dla pewnych małych prądów LED może się żarzyć, ale z tym chyba nie ma problemu, co najwyżej trzeba będzie zmniejszyć próg zadziałania tak żeby był mniejszy od poboru prądu najsłabszego z odbiorników USB. Mam nadzieję, że wyjaśniłem wszystko możliwie dokładnie i będziesz mógł samodzielnie zmieniać wartości elementów szukając optymalnego wariantu. Ale nie ma sensu specjalnie zastanawiać się nad superdokładnym doborem oporników RB i RC, wybierz arbitralnie coś z typowych wartości, np. 1kΩ, 1.5kΩ, 2.2kΩ, 4.7kΩ, próg zadziałania i tak będzie zależał przede wszystkim od właściwego doboru opornika szeregowego RS. Skoro nie miałeś dotąd do czynienia z elektroniką to pewnie nie masz w zapasie żadnych części, a nie ma sensu żebyś co i rusz biegał do sklepu po byle co (chociaż z drugiej strony zaskarbiłbyś sobie tym pewnie większą wdzięczność żony, którą tu pozdrawiam, pomimo że jej nieodpowiedzialne kaprysy zmusiły szanującego się chemika do grzebania się w schematach i datasheetach).

Serdecznie dziękuję kspro za pomoc i rzeczowy zarys minimalnej teori półprzewodników wymaganej do zrozumienia działania schematu.


Pozdrawiam i jeszcze raz dziękuję w imieniu swoim i małżonki.

Temat uważam za zamknięty.