Jetzt mal konkret: PWM-RC-Transistor-LEDs

[thewulf00]

Hallo,

ich suche seit Stunden, ob mal wer konkrete Angaben gemacht hat, und habe nur von shaun ein paar Werte gefunden. Es stellen sich mir aber weitere Fragen.

Das Prinzip ist klar: Helligkeitsregelung einer "nicht sparsamen" LED. (1W)
Mit hilfe eines µC also eine PWM erzeugt, die dann über einen Transistor drauf. So war mein bisheriges Verfahren. Ich wurde aber belehrt, dass LEDs durch ihre nicht träge Reaktion dann die ganze Zeit überlastet werden.

Also: Ein µC erzeugt eine PWM, ein RC-Glied glättet das ganze, ein Transistor dient als Treiber und die LED hinten dran soll geregelt werden.
Ergo ergeben sich folgende Fragen:
- Brauch ich zusätzlich zum R des RC-Glieds einen Vorwiderstand für den Transistor?
- Ist es vielleicht sinnvoller, die PWM erst nach dem Transistor zu glätten? (sprich, das RC nach dem Transistor zu platzieren)
- Welche Werte nehme ich für das RC-Glied? (Vorschlag von shaun waren 1µ und 1k8. Ich hab nen Metallwiderstand da und Elkos von Reichelt. Gibt es da Probleme?)
- Ich nehme an, im Falle des vorgeschalteten RC-Gliedes kommt an dem Port des µC das R vom RC, dann zur Masse das C, dann der Vorwiderstand (welche Größe?), dann der Transistor.
- Kommt die LED intelligenterweise an den Emitter oder den Collector des Transistors?
- Shaun sagte, die PWM ist möglichst hoch zu wählen. Wenn ich sie durch die Software selbst erzeugen lasse (weil der µC nix andres zu tun hat), wird sie dann erfahrungsgemäß schlechter oder besser und schneller oder langsamer als die Hardware-PWMs?
- Welche mathematischen Grundlagen müsste ich nutzen, um selbst auf die Antworten zu kommen?

[roboterzwerg]

duknast die helligkeit einer LED auch mit einem pori als wiederstand steuern (glaub ich) 8-[

[shaun]

Ja oder ein Butterbrotpapier davon halten ;) Im Ernst: er möchte die LED mit einem uC in der Helligkeit steuern, ein Poti mit einem Modellbauservo scheint suboptimal.
Du brauchst kein RC-Glied, damit machst Du den Vorteil der Ernergieeinsparung durch die PWM zunichte. Nur eins musst Du beachten: der Strom durch die LED darf das zulässige Maximum nicht überschreiten! Wenn Du zB eine 1W-Luxeon hast, dürfte der Strom bei max 350mA liegen. Darauf begrenzt Du dann mittels Vorwiderstand oder Stromquelle und kannst mit dem PWM-Signal zwischen 0 und 100% steuern, ohne die LED zu gefährden. Diese Ansteuerung hat noch einen weiteren Vorteil: die Lichtfarbe ändert sich im Gegensatz zur Ansteuerung mit variablem Strom nicht.
Die PWM-Frequenz sollte aufgrund des nichtträgen Verhaltens der LED so hoch sein, dass sie nicht flimmert, also >>50Hz. Wenn bewegte Teile beleuchtet werden, kommt es zu Mischfrequenzen, die als Flackern oder Stillstand der Teile wahrgenommen werden (Stroboskopeffekt).
Mathematische Grundlagen für PWM? Hmmtja. Bruchrechung könnte hilfreich sein ;) Bei einer 8-bit-PWM hast Du als PWM-Frequenz 1/256 der Quarzfrequenz, bei phasenrichtiger PWM (hier unnötig) 1/512, jeweils als Maximum, mit Vorteiler auch weniger. Wenn Du einen Controller mit einstellbarer PWM-Auflösung oder eine Soft-PWM mit weniger als 8 bit einsetzt, wird die Frequenz entsprechend höher. Bei gleicher Auflösung kann die Sofwtarelösung nicht schneller als die Hardware sein, mehr als 1 Befehl pro Zyklus gibt's nicht.

[Besserwessi]

Bei LEDs spart man durch PWM meistens keine Energie, wenn man nicht gerade eine Induktivität und Freifaufdiode benutzt. Die Lichtausbeute ist über einen weiten Bereich proportional zum Strom. Es macht dann keinen Unterschied ob man den Strom gleichmäßig oder gepulsed durch die LEd schickt. Bei gleichmäßigem Strom ist die Spannung an der LED sogar geringer und ensprechend die Erwärmung der LED geringer und damit der Wirkungsgrad etwas besser. Einen echten Vorteil durch gepulsten Strom hatte man bei ganz schlechten (alten) LEDs oder Superlumineszenz LEDs, bei denen die Intensität mehr als linear Ansteigt.

Die Farbverschiebung je nach Strom ist fast nur bei weißen LEDs deutlich ausgeprägt. Mit der PWM-Ansteuerung kriegt man aber einfach eine lineare Helligkeitssteuerung hin.

[thewulf00]

duknast die helligkeit einer LED auch mit einem pori als wiederstand steuern (glaub ich) 8-[
Ja das stimmt! Aber mein µC hat sowenig Arme...



Du brauchst kein RC-Glied, damit machst Du den Vorteil der Ernergieeinsparung durch die PWM zunichte.
Ah - danke :-) Aber den Vorteil habe ich nicht kapiert, erklär nochmal bitte...



Nur eins musst Du beachten: der Strom durch die LED darf das zulässige Maximum nicht überschreiten!
Damit meinst Du sicher "zu keiner Zeit, auch nicht im High-Bereich der PWM", stimmts? Also lag ich mit meiner Grundannahme richtig. :-(



Wenn Du zB eine 1W-Luxeon hast, dürfte der Strom bei max 350mA liegen. Darauf begrenzt Du dann mittels Vorwiderstand oder Stromquelle und kannst mit dem PWM-Signal zwischen 0 und 100% steuern, ohne die LED zu gefährden.
Ah - das ist ja einfach. Dann also µC->Basiswiderstand->Transistor->Vorwiderstand->LED, korrekt?



Diese Ansteuerung hat noch einen weiteren Vorteil: die Lichtfarbe ändert sich im Gegensatz zur Ansteuerung mit variablem Strom nicht.
Da habe ich wieder nicht verstanden. ](*,)
Wenn ich also mit variablem(sprich einstellbarem) Strom arbeiten würde, ändert sich die Lichtfarbe? Warum?



Die PWM-Frequenz sollte aufgrund des nichtträgen Verhaltens der LED so hoch sein, dass sie nicht flimmert, also >>50Hz.
Ja gut, ohne RC ist diese Frage nichtig... :-)



Wenn bewegte Teile beleuchtet werden, kommt es zu Mischfrequenzen, die als Flackern oder Stillstand der Teile wahrgenommen werden (Stroboskopeffekt).
Ja genau, der Dopplereffekt mal 10. Aber ich bewege nicht (noch nicht).



Mathematische Grundlagen für PWM?
Ohne einen RC-Transistor-Mix ist diese Frage auch hinfällig...
Es bleibt die Frage nach der Höhe des Vorwiderstandes für den Transistor.
Und bei einer 1W-Luxeon müsste ich dann einen Transistor nehmen, der die von Dir genannten 350mA kann, richtig?



Bei LEDs spart man durch PWM meistens keine Energie, wenn man nicht gerade eine Induktivität und Freifaufdiode benutzt.
Ja okay, mir gehts nicht um die Energieersparniss, sondern um die Helligkeitsregelung.



Die Lichtausbeute ist über einen weiten Bereich proportional zum Strom. Es macht dann keinen Unterschied ob man den Strom gleichmäßig oder gepulsed durch die LEd schickt. Bei gleichmäßigem Strom ist die Spannung an der LED sogar geringer und ensprechend die Erwärmung der LED geringer und damit der Wirkungsgrad etwas besser.
Das spräche gegen eine PWM, korrekt? Aber einen Unterschied macht es -nach meinem Verständnis von shauns Antwort- für die Lebensdauer der LED, da kurzzeitig zuviel Strom fließt. (ohne Widerstand und PWM << 100%)



Einen echten Vorteil durch gepulsten Strom hatte man bei ganz schlechten (alten) LEDs oder Superlumineszenz LEDs, bei denen die Intensität mehr als linear Ansteigt.
Okay, mein Horizont verabschiedet sich bei diesem Satz... :-(



Die Farbverschiebung je nach Strom ist fast nur bei weißen LEDs deutlich ausgeprägt.
Wieso?



Mit der PWM-Ansteuerung kriegt man aber einfach eine lineare Helligkeitssteuerung hin.
Also ist es linear? Das ist doch schonmal gut.


Allgemeine Frage: Ihr habt beide von stromabhängiger Helligkeit gesprochen. Dann ist mein Ansatz ja falsch. Ich versuche ja über die Spannung die Helligkeit zu ändern. Aber okay: Es ist ja R=U/I, so dass weniger Spannung = weniger Strom. Aber dann könnte man doch auch den Umkehrschluss ziehen: Ich begrenze den Strom, also entscheidet wieder die Spannung über die Helligkeit. Aber ich denke, es ist der Strom, weil er FLIEßT, und nicht die Spannung, da sie nur ANLIEGT, korrekt?

[robodriver]

Nur nochmal zum Verständniss für dich:
Mit PWM regelst du keine Spannung! Die Effektivspannung wird nur herunter gesetzt. Aber PWM schaltet ein und aus. Nix anderes ;)



Es bleibt die Frage nach der Höhe des Vorwiderstandes für den Transistor.

Den kannst du pauschal auf 5kOhm setzen (dann bist du aber wahrscheinlich nicht im optimalen Arbeitspunkt) oder genau berechnen, dafür müsste man aber schon wissen welchen Transistor du nutzt und einen Blick in dessen Datenblatt werfen.

Greetz Robodriver

[thewulf00]

Nur nochmal zum Verständniss für dich:
Mit PWM regelst du keine Spannung! Die Effektivspannung wird nur herunter gesetzt. Aber PWM schaltet ein und aus.
Ja, das ist mir klar. Ich spreche ohnehin nur von Effektivspannungen.

Im Anhang mal ein Beispiel, wie ichs bisher verstanden habe.

[robodriver]

Vom prinzip genau richtig.

Nur das der BC547 nur 100mA ab kann.

[thewulf00]

Das stimmt, den hab ich genommen, weil ich meinen besseren BC im Eagle nicht fand. Es ist der 139 oder 319 oder so.

[avion23]

@thewulf
Ganz klar ist die Beschreibung deines Problems nicht. Ich habe verstanden, dass du eine Powerled dimmen möchtest. Aber die Art wie...

In deiner letzten Zeichnung pulst du deine LED mit einer PWM. Bei einer 1W luxeon ist der normale Strom 350mA, im Pulsbetrieb ~700mA mit Verlusten beim Wirkungsgrad. Den Vorwiderstand der LED dimensionierst du dann für die 700mA. Den Vorwiderstand für den (stärkeren) Transistor berechnest du für einen Transistor im Schaltbetrieb.
Im Ergebnis wird die LED mit hohen Strömen gepulst, du hast in jedem Packet die volle Helligkeit und dein Auge integriert das.

Andere Sache: RC-Glied
Du kannst deine LED auch mit Gleichspannung füttern, was wesentlich gesünder ist. Dazu hast du keinen Stroboskopeffekt. Dafür verwendest du die vorherige Schaltung mit einem Vorwiderstand für 350mA. Den Transistor benutzt du aber nicht als Schalter, sondern als Linearregler. Die Spannung für den Transistor erzeugst du per PWM, welche du mit einem RC-Glied glättest. Dimensionierung dafür kann ich dir nicht sagen. Google "Tiefpass".
Im Ergebnis fällt an dem Vorwiderstand + Transistor die "überfällige" Spannung ab und deine LED leuchtet weniger hell. Nachteil ist die Verlustleistung und die Regelung (forward Voltage abhängig von der Temperatur).

Am saubersten: Schaltregler
Stichworte dafür sind step down oder buck converter. Der Transistor wird mit der PWM als Schalter betrieben wie in der vorherigen Schaltung. Allerdings gibt es keinen Vorwiderstand für die LED. Anstelle dessen gibt es eine Spule. Die Spule integriert den Strom für dich, sie ist strombeharrend. Führt hier aber zu weit... Eine Diode bräuchtest du auch noch. Schau dir mal die Beispiele von Sprut an.
Im Ergebnis wird deine LED mit nahezu Gleichsspannung (abhängig vom Glättungskondensator) betrieben. Verlustleistung ist nahe null. Und natürlich dimmbar :)

[shaun]

Ob PWM oder Schaltregler besser ist wird wohl immer Streitthema bleiben. Ich habe gerade einen Prototypen beim Kunden, bei dem ich einen Schaltregler und saubere Filterung für zwei 4W-LED vorgesehen habe, weil Stroboskopeffekt unter allen Umständen vermieden werden muss. Warum setzt Du den Strom bei PWM-Betrieb beim Spitzenstrom an? Ich würde hier auch den maximalen Dauerstrom ansetzen, bei 100% PWM ist dann halt 100% Strom und damit Leistung, als Nebeneffekt sicher vor Fehlprogrammierung.
In der Power Systems oder irgend so einer Postille war neulich gerade wieder eine Abhandlung über das Thema, einschliesslich Begründung, warum mit PWM gedimmt wird. Die Einsparung der teuren Drossel war es nicht! Den Autoren ging es vorrangig um die Stabilität der Lichtfarbe.

[avion23]

Auf die Gefahr hin, dass es wieder so endet wie im letzten Thread:

- Spitzenstrom habe ich angesetzt, weil es möglich ist :) Ist hier nicht nötig. Bei z.B. ge-multiplexten LEDs wäre es besser, oder wenn man die Abwärme von der LED gut abführen kann. Bedeutet natürlich mehr Streß und I² Verluste in den Zuleitungen. Das mit der Fehlprogrammierung ist natürlich ein sehr gutes Argument ;)

- Stabilität der Lichtfarbe besser mit PWM:
Ist möglich, finde ich aber pervers :) IMHO ist die Farbtemperatur in Kelvin proportional zur DIE-Temperatur. Durch die Pulse ist dann eine relativ hohe Temperatur des DIEs auch bei niedriger Leistung möglich. So kann man die Farbtemperatur konstanter halten.
ABER:
*LEDs altern, vor allem der Phosphor.
*Powerleds haben eine geringe Lebensdauer.
*Die Farbtemperatur ist stark von der Temperatur abhängig, also auch von der Umgebungstemperatur.
*Farbtemperaturen unter 6500K (extrem kalt!) sind selten und nur mit schlechterem Wirkungsgrad möglich (wandlung blau-uvlicht durch phosphor in rot-grün-gelb).

Deswegen wäre eine saubere Gleichspannung für ihn vielleicht besser. Ich wollte nur mal schreiben, was alles möglich ist. Und die LED über ein RC-Glied zu bedienen vereint die Nachteile aller Welten.

[Besserwessi]

Die Farbtemperatur hat wenig mit der temperatur des Chips zu tun. Die Wirksamkeit des Phosphors bei weissen LEDs hängt von der Temperatur ab, aber es gibt keine so einfachen Zusammenhang. Da nur eine LED angesteuert wird sollte der Strom nicht über dem zulässigen Dauerstrom gewählt werden.

[thewulf00]

Deshalb ja die Frage, ob der High-Bereich einer PWM dem DAUERSTROM entspricht, oder nicht...

[avion23]

Danke Besserwissi, ich hatte die Erfahrung gemacht, dass die Farbe immer blauer wird mit der Temperatur :)

@thewulf dann setz den Widerstand für Dauerstrom ein. 100% PWM entspricht 100% einschaltdauer und damit gleichspannung. Also nichts mit meinen 700mA sondern die normalen 350mA. Wobei du auch sagen könntest, welche LED du benutzt.

[thewulf00]

So Leute, ich hab am WE mein erstes Moodlight mit der RGB-LED fertiggestellt. Es funktioniert -dank euch- alles einwandfrei.

Noch ein paar Infos: Ich habe den Strom auf 250mA begrenzt, dann kann ich meine 1/4W-Widerstände nutzen. Dennoch kommen da 5,8 und 11,0 Ohm raus, so dass ich für den ersten 1x 10Ohm nahm und für den zweiten 2x10Ohm (in Reihe). Das Ergebnis kann sich sehen lassen.

Als Leuchtmittel nutze ich eine ProLight-100-Lumen-RGB-LED von LED1.de (Deren Lieferzeit übertrifft alle anderen bisher dagewesenen Lieferanten (negativ gesehen)).
Ich habs jetzt konkret so gemacht (im Endeffekt der Vorschlag von shaun):
Die PWM geht auf einen BD139 mit 10k Basiswiderstand. Die getriebene PWM geht über den oben errechneten Vorwiderstand auf die LED. Jetzt kann ich zwischen 0% und 100% regeln und nichts geht kaputt.
Für den Strombedarf hab ich ein billiges 9V-AC-Netzteil von Pollin genutzt, und danach einen 2A-7805 mit Kühlkörper.
Als Lampe diente mir FADO von Ikea (Vorschlag aus diesem Forum).

Nach 24h Dauerbetrieb waren alle Bauteile nur gering warm. Am wärmsten war der Gleichrichter (ein günstiger von Reichelt), der wohl nur wenig Strom aushält. Das nächste mal also mit den hier noch Massenhaft rumliegenden 4001-Dioden. ;-)

Alles in allem funktioniert es einwandfrei und meine Frau ist begeistert und hat noch weitere "geordert". Die nächste kommt aber auf eine professionelle Platine. Und die LED wird gewechselt, da mir die 15 Euro zu teuer sind. Ich könnte auch 10 Stück bestellen, dann sinds nur 13 Euro, aber dazu müsste viele andere auch Interesse haben.

Ein Video hatte ich versucht zu machen, aber den sich langsam hinziehenden Farbwechsel versucht meine Cam auszugleichen, so dass man nichtmal ansatzweise sieht, wie schön das ist. :-(

Also einen riesen Dank an alle Antworter und alle, die mir halfen!
Fragen einfach hier rein.