LED/24V mit uC, PWM und gewissen Bedingungn ansteuern

[stepi]

Hallo zusammen,

An sich sollte mein Problem kein Neues sein, zumindest mit den richtigen Bauteilen:
Ich will mit einem PIC mehrere LEDs schalten und per PWM dimmen. Folgende Voraussetzungen sind dabei zu beachten für die Schalter:
1. 24V (Laptop-Steckernetzteil: 24V, 3,2A)
2. ca. 1 – 1,5A pro LED-Farbe
3. jede Farbe soll separat dimmbar sein
4. der PIC soll nach dem schalten in den Sleep-Mode gehen können/ dürfen, wenn möglich auch bei Dimmung der LEDs.
NACHTRAG: diese Bedingung kommt erst zum Tragen, wenn der PIC über eine (Knopfzellen)Batterie versorgt wird, weil er z.B. eine Deckenlampe nur schaltet (PIC muss IR-Signal empfangen)
5. das ganze soll möglichst wenig Verlustleistung haben
6. das ganze sollte bei Reichelt beschafft werden können (gilt v.a. für die verwendeten Transistoren)
(siehe Schaltplan-Skizze: PIC steuert 3 „noch Black-Boxes“, an denen jeweils mehrere Stränge von LEDs einer Farbe hängen).

Meine Fragen/Ideen sind:
1) Kann der Schalter ein einfacher MOSFET sein (Spg, Strom und Geschwindigkeit (PWM) sind ja nicht so hoch)? Falls ja welcher -> Stichwort: möglichst geringe Verlustleistung und Beschaffbarkeit?
2) Sollte ein MOSFET nicht ausreichen: welche ICs sind dafür geeignet?
3) Die PWM-Steuerung kann der PIC machen -> d.h. der Schalter sollte so schnell sein, dass er der PWM folgen kann (ohne Unmengen Strom wegen Umladungen zu brauchen).
4) Dann wäre da noch Bedingung 4): wenn der PIC schlafen geht, was passiert mit dem MOSFET: hier brauche ich wohl noch irgendein Speicherglied (Flip-Flop) oder? Oder MOSFET gekoppelt (Bistabiler Transistorschalter?)
5) Eine ganz andere Idee wäre, die PWM-Erzeugung über analoge Bauteile zu realisieren, wobei die PWM über ein Poti gesteuert wird. Das Poti wäre dann ein digitaler Widerstand, der vom PIC eingestellt wird -> Vorteil sehe ich hier darin, dass der PIC sich auch während dem dimmen schlafen legen kann: einfach Widerstand einstellen und schlafen gehen. Die analoge Schaltung erledigt das dimmen von selbst.
Nach der PWM-Schaltung kommt dann der Transistorschalter.
6) Oder gibt’s eine noch viel einfachere Lösung. (gesteuerte KSQ?)

Hier noch ein paar allgemeine Infos/ Anmerkungen/ Fragen:
7) MOSFET sollten einen möglichst kleinen Rds_on und Cgate haben, damit die Verlustleistung möglichst gering ist. Liege ich da richtig in der Annahme? Welcher Kennwert ist sonst noch wichtig bei meinen Dimensionen?
Auf jeder Seite wird ein anderer MOSFET angepriesen, mittlerweile weiß ich nun gar nicht mehr auf was ich achten muss, bzw. welcher für meine Dimensionen der richtige ist.
Auch sollte der MOSFET logic level (5V oder weniger) haben, damit ich keinen Treiberbaustein davor brauche.
NACHTRAG 8) Bauteile sollten Lochrasterplatinen-lötbar sein, also keine SMDs

Das ganze soll später per Fernbedienung steuerbar und einstellbar sein und über den PIC 18F2550 gesteuert werden. Die LEDs sind SuperFlux SingleChip und in gleicher Anzahl von rot , grün und blau vorhanden.

Neben den genannten Bedingungen sollte sich das ganze kostenmäßig im Rahmen halten (also einfache Bauteile). Ggf. gibt’s aber auch fertige Schaltung, z.B. spannungsgesteuerte Dimmer, die ganz 5) ersetzen.

Ich hoffe alle Infos bekannt gegeben zu haben. Falls nicht einfach nachfragen.

Vielen Dank
Stepi

[Besserwessi]

MOSFETS sind als Schalter wohl schon richtig. Vermutlich sollte der MOSFET aber an der Seite nach GND schalten und die LEDs an den 24 V hängen. Dann kann man N Kanal FETs nehmen.
Mögliche FETs wären IRLZ34 (eigentlich zu groß) oder IRF7103 (2 FETs in SO8).
Wenn man nur einfache Vorwidertände nimmt stört auch ein relativ hoher Ein-Widerstand nicht, man könnte dann auch gleich einen analoge Steuerung nehmen und die Wärme am FET statt am Widerstand erzeugen.

Wenn es wirklich so auf die Leistung ankommt, sollte man die Vorwiderstände durch Induktivitäten ersetzen und Freilaufdioden vorsehen. Für die Aufteilung auf die 2 Stränge wären Widerstände wohl noch akzeptabel. Allerdings wird man dann besser mit eher hohen Frequenzen (>10 kHz) arbeiten. Da ist dann wirklich ein Abwägung zwischen Ron und der Kapazität sinnvoll.

Ob der PIC dann teilweise in Sleep mode ist, ist dagegen weniger Stromsparend.

Mit dem PIC kenne ich mich nicht so aus, aber vermultich werden die Ausgänge ihren Zustand auch im Sleep modus beibehalten, extra Puffer werden wohl nicht gebraucht. Ist zumindestens bei den AVRs so.

Wenn man die Lösung mit externer PWM erzeugung wählen will, könnte man da Schaltnetzteil ICs wählen. Da gibt es zum Teil auch Schaltungen direkt für die Ansteuerung von LEDs mit geregeltem Strom. Einige der Regler haben auch gleich den Leistungsschalter mit drin.

[stepi]

@Besserwessi:
vielen Dank für dein Posting.
SleepMode wäre für die Ausweitung des Projekts notwendig, wenn der PIC über eine Batterie versorgt wird.

Kannst du mir Beispiele für die im letzten Abschnitt beschriebenen Bauteile/ ICs nennen?

[beppo]

Hallo, du solltest unbedingt N-Kanal MOSFETs nach GND schalten lassen, sonst gibts mit dem uC Probleme. ich glaube, du hast sonst eh schon alle wichtigen Daten zusammen. Such dir nen passenden FET- Schnell genug sind sie alle. Eine NOCH einfachere Schaltung gibts fast nicht.

Ich versteh nicht ganz, warum du so viel Strom durchh die LEDs jagst, den PIC aber dann in den Stromspar-Modus schicken willst.

[stepi]

@beppo:
vielen Dank. Klingt ja schon mal ganz gut.
Stromsparmodus für PIC kommt erst zum tragen, wenn der PIC über eine Batterie versorgt wird (für spätere Projekte, wenn der PIC z.B. eine Deckenleuchte schalten soll).

Auf was muss ich denn bei den FETs achten: Vds und Id ist klar. Muss Rds_on klein sein, oder ist das egal? Sind die alle für PWM geeignet (also max. 1kHz)?
Kannst du zufällig einen passenden nennen?
Merci

[Besserwessi]

Wenn man nur Widerstände als Strombegrenzung hat, darf Rds_on auch relativ groß sein. Das Rds_on ist dann halt Teil des Vorwiderstandes. Nur Id sollte halt passen und ggf. auch noch ein bischen Reserve haben. Wenn man keinen Treiber nutzen will, solle man daraus achten, das der FET auch schon mit 5 V gut durchschaltet. Man wird also einen LogocLevel Fet brauchen, wo auch bei 4-5 V Ugs schon genug Strom fließt. Der oben genannte IRF7103 sollte passend sein. Da sind gleich 2 FETs in einem Gehäuse.

Die Fets sind alle für PWM geeignt. Bis 1 kHz sollte auch der IRLZ34 noch ohne extra Gate Treiber gehen, trotz der relativ großen Kapazität.

[stepi]

Der IRF7103 ist aber SMD.. Nachdem ich nur Lochraster löten kann, ist der wohl raus. ODer gibts einen ähnlichen im anderem TO-22-Gehäuse?
"sollte auch der IRLZ34 noch ohne extra Gate Treiber gehen" -> von welchen weiteren Faktoren ist das abhängig, bzw. wie müsste ein GateTreiber aufgebaut sein?
Das mit dem Rds_on und Vorwiderstand ist ein guter Hinweis.

Ich wollte somit eher auf eine kleine C_input (GateKapa) schauen oder?

[Hubert.G]

www.mikrocontroller.net/articles/Mosfet-Übersicht
Der IRLZ34 ist sehr gebräuchlich.

[stepi]

wie schauts mit dem IRL24n aus? Der kann weniger Strom (18A statt 30A das reicht noch lange für meine Anwendung). Die Gate-Kapazität scheint aber geringer zu sein (480pF anstatt 1050pF), was für schnellere (stromsparendere) Umschaltvorgänge spricht oder?

Kann ich den auch verwenden?

[Besserwessi]

Der IRLZ24 wäre besser. Ideal wäre halt ein FET für rund 2-5 A, denn auf ein kleines R_on kommte ja gar nicht an.

Eine große Kapazität führt zu mehr Umladeströmen, die der PIC liefern muß. Bei der relativ niedrigen Frequenz von rund 1 kHz ist das aber noch hicht so schlimme. Der milltlere Strom ist C*f*U, hier also rund 1 nF * 1 kHz * 5 V = 5 µA. Das sollte noch nicht wirklich stören. Auch das eher langsame schalten ist nicht so schlimm, das Verschiebt nur etwas Verlustleistung vom Widerstand zum Fet. Die Auswahl des FETs ist also wirklich unkritisch, Hauptsache Logic Level damit man sicher mit 5 V auskommt.

[hardware.bas]

Ich würde ganz "stinknormale" NPN-Leistungstransitoren (BD-Typen) in
Darlingtonausführung (Datenblätter konsultieren) als Emmitterschaltung
nehmen. Emmitter an Masse, Kollektor an die LED-Reihenschaltung mit
Vorwiderstand dimensioniert für Ibmax und Basisvorwiderstand 22k zum
Ausgangsport des Chips. Transistorkühlung kann entfallen, da PVW.
VG Micha

[stepi]

@Besserwessi:
sorry, hab schon den IRLZ24 gemeint (allerdings das Z vergessen).

Die Cin ist somit in meinem Fall auch fast vernachlässigbar. Aber dennoch eine Frage welches C nun immer gemeint ist: beim IRLZ24 gibts ein Ciss, das mit 480pF angegeben ist. Woher hast du die 1nF? Oder ist das einfach mal so angenommen?

[Besserwessi]

Das 1 nF war einfach nur mal angenommen. Ist die typische Größenordnung bei den etwa größeren MOSFETS. Wie sich zeigt kommt es ja auch gar nicht so darauf an. Das Fehlende Z ist mir gar nicht afgefallen.

Welches C man nahemn muß ist eine gute Frage. Wichtig ist die Ladung die man braucht um das Gate umzuladen, und dabei vor allem der Teil im Übergangsbereich. Die Ladung hängt allerdings auch von der Spannung ab, die man schaltet. Als Näherung ist das U_GS * C_GS + U_DS*C_DS. Bei kleinen Spannung ist damit die eigentliche Gate Kapazität wichtig, bei hohen Spannungen die Kapazität von Drain nach Gate.