PWM glätten

[flo1]

Ich bin grad dabei ein bischen mit nem Oszilloskop und nem Mikrokontroller rumzubasteln

* Ich war nicht ein geloggt darum ist mein ganzen Text den ich vorhin getippt hab weg und ich habe keine Lust den jetzt nochmal zu schreiben *

und ich möchte gerne wissen wie man einen PWM ordentlich glättet

[markusj]

http://de.wikipedia.org/wiki/Tiefpass

mfG
Markus

[Ceos]

naja das "wofür" spielt schon ne gewisse rolle was die berechnung der grenzfrequenz angeht, solls nur ne spannnung sein dann so niedrig wie möglich, willst n signal erzeugen, wirds kompliziert, da musste n mittelmaß zwischen signalverzerrung und ripple in kauf nehmen!

[vohopri]

Hallo Flo,

vorerst kleiner Tip am Rande: Den Text kann man vor dem Abschicken in die Zwischenablage kopieren, dann kann man ihn nochmals verwenden.

Zum Thema: Da kommt es jetzt ganz auf die Anwendung an. PWM wird ja unter Anderem deswegen verwendet, weil sie Verlust vermeidet. Wenn man die PWM mit einem RC Tiefpass glätten würde, wäre dieser Vorteil der PWM vernichtet. Die Verluste entstehen in den Widerständen und auch in den Kondensatoren. Darum empfiehl es sich, die PWM mit einer Induktivität zu glätten. Die Induktivität speichert die Energie und gibt sie wieder zurück.

Wegen der Verluste, lässt sich das Arbeiten mit RC Tiefpässen, wie man es von hochohmigen Signalkreisen gewohnt ist, nicht sinnvoll auf einen niederohmigen Leistungskreis übertragen.

grüsse,
Hannes

[Willa]

vorerst kleiner Tip am Rande: Den Text kann man vor dem Abschicken in die Zwischenablage kopieren, dann kann man ihn nochmals verwenden Ha, das versuche ich meiner Freundin auch schon eeeewig beizubringen wenn sie malwieder flucht dass der ganze im Webmail getippte Text verschwunden ist...! Aber da ist nix zu machen.

Ich schließe mich der Frage mal an.... Wenn man ein langsames PWM hat um LEDs zu dimmen (bei dem man das Flackern ein bisschen sieht), kann man das mit ner Spule "glätten"? Oder hilft nur ein Anheben der PWM Frequenz?

[vohopri]

Im Prinzip JA,

das ist ja ein ganz normaler Abwärtswandler mit Induktivität. Sowas wird häufig gebaut.

Ob man in dem Fall auf eine vernünftige Dimensionierung kommt, müsste man kalkulieren und testen. Auf alle Fälle muss die Freilaufdiode richtig angebracht sein. Die müsste natürlich wie immer gegen die Versorgungsspannung gepolt sein aber hier LED und Spule gemeinsam überbrücken. Ich kann mir auch denken, das da eine schnelle Diode notwendig ist.

Die Frage ist, ob das Anheben der PWM Frequenz nicht einfacher und billiger ist, als das Zusätzliche Bauteil mit viel Eisen und Kupfer.

Kann man aber alles auf einem Steckbrett testen.

grüsse,
Hannes

[dennisstrehl]

Wenn die Schaltfrequenz so lahm ist, dass man das Flackern schon mit dem Auge wahrnimmt, dann verschleift eine Spule nur die Flanken ein wenig - Vor allem bei dem geringen Strom! (Eine Induktivität die das glättet wäre unverhältnismäßig groß.) Wenn man noch einen Kondensator dahinterschaltet hat man zudem schnell einen ungewollten Schwingkreis am Hals...
Bei LEDs wählt man am besten einfach eine höhere Frequenz. 100 Hz reichen ja schon.
Ein RC-Tiefpass wäre bei den geringen Strömen auch noch möglich. Da geht's ja nicht um hohe Leistungen. Aber unötig...

[BlueNature]

Eine nette Idee um den PWM-Wert zu glätten basiert auf einem Schalter aufgrund eines FET (z.b. MOSFET). Damit kann man im angebrachte gewünnschten Zeitmoment einen durch RC-Tiefpass geglätteten Wert an den Ausgangeskreis übertragen und analog speichern. Das würde eine erhöhte Geschwindigkeit bringen, wie auch kleinere RC-Tiefpässe (schnellere Reaktion des Systems).

Im Fachjargon nennt man so etwas in Bezug zu AD-Wandlern auch gerne S&H-Stufe. Also Sampeln, Halten, Messen, wieder das selbe Spiel...
Das kann man auch Ausgangsseitig machen, also umgekehrten Weg. Dann erhält man eine treppenartige Spannung ohne Ripples (allerdings Lastfrei).

Mit einer ohmschen Belastung funktioniert solch ein System aber nicht. Dann muß über eine höhere Schaltfrequenz das Resultat geholt werden. ein paar dutzend kHz schaden da nie.

Grüße Wolfgang

[Ceos]

@BlueNature

wenn du eine ripplefreie Spannung hast einfach noch einen ausreichen belastbaren puffer-verstärker hinterherschalten und schon hat sichs erldigt!

impedanzwandler heist die schaltung wenn ich nicht grob irre ?!
das ist dann der quasiaufbau eines echten DAC

[flo1]

Ich möchte den PWM nutezn um die Werte ein paar alter Transistoren zu messen

[BlueNature]

Morgen flo1,

hast du eine grobe Schaltungsskizze? Bis auf den Problemfall mit deiner PWM? Kann man sicher das passende dafür hier im Threat ermitteln. So auf den ersten Blick sieht es für mich aus als wolltest du die hfe messen.

@Ceos
Der Begriff Impendanzwandler (OpAmp mit Rückführung auf Minus udn Plus Signaleingang von RC) ist korrekt. Geglätteter wird es dadurch aber nicht, aber der Einbruch unter Last ist nicht mehr vorhanden.
Reduktionsmöglichkeiten:
- höhere PWM
- S&H-Stufe nach RC udn vor Impendanzwandler (z.b. mit CD4066)
- mehr RC-Zeit (größere R und C)
- PWM deaktivieren nach erreichtem Wert und AVR am PWM auf Input schalten in Verbindung mit Impendanzwandler. Dann hält das RC-Glied noch kurze Zeit seinen Wert.

Strobe wird aktiviert wenn
Grüße Wolfgang

[Hellmut]

Nachdem ich in einem anderen Thread zum Thema LEDs dimmen auf denEinsatz eines Tiefpassfilters hingewiesen wurde (Induktivität plus Freilaufdiode) habe ich nach dem Nutzen der Suchfunktion im Forum diesen Thread gefunden! Im anderen Thread wurde darauf hingewiesen das die Lösung mit Induktivität und Freilaufdiode weniger Leistung verbraten würde als ein Vorwiderstand. Das interessiert mich sehr.

Ich habe in meinem Modellsegelboot 2 Anwendungen für eine Schaltung zum Dimmen von LEDs. Bei einer Anwendung werden circa 30 LEDs geringer Leistung (20-30mA pro LED=> circa 700mA), bei der anderen werden 4 LED Strahler mit je 700mA-1,2A eingesetzt. Da das Ganze mit Akkus betrieben wird spielt der Leistungsverlust über die Vorwiderstände eine größere Rolle. Meine Lösung soll eine PWM zum dimmen verwenden, trotzdem müssen die LEDS vor zuviel Strom geschützt werden. Wie muß ich bei diesen beiden Anwendungen die Tiefpässe dimensionieren (Die Vorwärtsspannung der LEDs liegt immer so zwischen 3,0 und 3,6V und mein Bordnetz stellt diese Vorwärtsspannung bereit.
Ich hoffe ich habe meine Frage verständlich gemachtm die Hintergründe erläutert und jemand kann mir ganz konkret sagen wie ich die Schaltung und Dimensionierung zu machen habe. Danke.

[PICture]

Hallo!

@ Hellmut

Fürs Dimmen von LEDs, braucht man normaleweise keine Tiefpässe, da das Auge, bei genügend hocher PWM Frequenz, den Strom "glättet, der durch die LEDs fliesst.

MfG

[Hellmut]

Hallo PICture. In dem anderen thread hier im Forum wurde der Tiefpass als effizientere Lösung, verglichem mit dem Einsatz eines Vorwiderstandes zur Begrenzung des Stromes durch die LED empfohlen! Da dort von Induktivität und Freilaufdiode gesprochen wurde bin/war ich der Meinung da würde von einem Tiefpass gesprochen!

[Ceos]

tiefpässe vernichten den effekt des PWM an LEDs die MÜSSEN mit direktem PWM angesteuert werden! die PWM frequenz sollte aber ausreichend hoch sein, damit man das flimmern nicht mehr sieht

[Willa]

Ein Max16820 würde für dich nicht in Frage kommen?

[harry3]

Um nochmal auf die Sache mit der Spule und der LED zu kommen:
Wenn man statt einem Widerstand eine Spule mit einer LED in Reihe schaltet(und zusätzlich noch eine Freilaufdiode zum Schutz des PWM Generators) und eine PWM anlegt, so sollte dass doch auch klappen bei entsprechend gewählten Bauteilen.
Strom steigt mit I=U/L * t , wenn man also immer nur kurz einschaltet sodass kein zu hoher Strom entsteht und den Strom dann wieder abklingen lässt, so hätte man doch eine relativ verlustfreie LED Schaltung, würde ich jetzt mal so behaupten.

[Besserwessi]

Wenn man bei LEDs das PWM Signal mit Widerstand und Kondensator glättet, hat man auch nicht mehr Verlust als ohne den Kondensator. Das Licht der LED hängt vom mittleren Strom ab, nicht vom effictivwert. Allerdings gewinnt man auch nicht viel denn es ist nicht schwer die PWM Frequenz hoch genug zu wählen das das Auge kein Flackern sieht.

Bei der Hochleistungs LEDs muß man aufpassen mit den Spitzenströmen, die können zum Teil nicht viel mehr Spitzenstrom ab.

Mit Spule und Freilaufdiode wird auch dem PWM Signal so etwas wie ein Schaltwandler. Damit kann man das zuviel an Spannung nutzen und spart so tatsächlich Energie ein. Man muß aber ein bischen aufpassen der LED nicht zu viel Strom zu geben, da die Strombegrenzung nicht mehr so einfach über einen Widerstand erfolgt. Insbesondere darf das PWM Verhältnis eine gewisse Grenze nicht überschreiten, denn bei 100% Ein ist keine Strombegrenzung mehr da. Die Helligkeit wird auch nichtlinear vom PWM Verhältnis abhängen.
Die Alternative wäre es ein Schaltregler IC zu nehmen, das den Strom regelt.

[dennisstrehl]

Hellmut, für die 30 einzelnen LEDs wirst du um einen Vorwiderstand für jede einzelne LED nur mit recht großem Aufwand herumkommen. Der Vorwiderstand ist ja quasi der Stromregler für die LED!
Die zweite Möglichkeit wäre, alle LEDs in Reihe zu schalten, dann brauchst du aber eine Spannung von knapp 100 Volt mit Stromregelung auf etwa 20 mA. (Kann man mit Schaltregler erreichen. Ist aber aufwendig.)
Die dritte Möglichkeit wäre, für jede einzelne LED einen Schaltregler aufzubauen, der den Strom regelt. Das wäre noch viel aufwendiger.

Für die großen LEDs müsste es fertige Regler geben... Aber wie man die dimmt kann ich dir auch nicht sagen. Wahrscheinlich kommt man auch da nicht um Selbstbau eines Schaltreglers herum, was aufwendig ist. Die einfache Alternative sind halt Vorwiderstände zur Stromregelung auf 700 mA + PWM zur Dimmung.

Du könntest mal ein paar Details bekanntgeben, z.B: die Bordnetzspannung und ob die LEDs einzeln geregelt werden können sollen. Dann könnte man konkretere Tips geben.

harry3, ja, das geht, aber dadurch dass man den Strom immer wieder abklingen lassen muss, kann man nicht die volle Leistung erreichen. Man will ja zu keiner Zeit über den Nominalstrom der LED kommen.
Man darf auch kein zu hohes Tastverhältnis zulassen, sonst kann der Strom nicht mehr ganz abklingen und man kann den Strom nicht mehr begrenzen.

[Besserwessi]

Wenn man die Spannung passend wählt, kann man mit ziehmlich kleinen Vorwiderständen auskommen und verliert dann nur etwa 0,2 bis 1 V. Auch bei einem Schaltregler verliert man für die Stromrelung etwa 50 - 300 mV am Shunt.

Man muß auch nicht alle LEDs parallel oder in Reihe schalten. Vermutlich wäre bei den 30 LEDs eher ein Mittelweg, mit je 5-10 LEDs in Reihe sinnvoller. Das hängt natürlich auch von der geforderten Mustern ab.

[Hellmut]

Ich hatte am Ausgang meiner Überlegung noch keine Ahnung was an Überlegungen in dieses Teilprojekt kommen könnte, ich hatte aber ein ungutes Gefühl das mich anfing immer mehr zu belasten. Die letzten Beiträge hier sagen mir soviel, dass ich jetzt mein Gefühl als guten Hinweis bestätigen kann.
@Willa: Den Baustein von Maxim und Infos zu Applikationsnoten, usw. habe ich begonnen zu studieren. Die Appnote die ich gerade lese bestätigt die hier gemachten Aussagen und es scheint Bauteile für diese Funktion zu geben, welche aber für die konkrete Anwendung dimensioniert werden müssen!
@harry3: Danke. Ich hätte eigentlich auch durch eigene Überlegung dazu kommen können das die Freilaufdiode den PWM Generator vor den induzierten inversen Spannungen der Induktivität schützen müssen!
@dennisstrehl: Das Bordnetz wird nominal 24V aus Akkus haben, also die Spannungsvariabilität von Voll bis Leer haben (20V-28V worst case). Also die Bandbreite amuß bei der Dimensionierung für den worst case ausgelegt sein! Die circa 30 LEDs gleichzeitig regeln, getrennt davon die 4 Hochleistungsleds.
Schock: Addieren sich die Vorwärtspannungen der LEDs bei Reihenschaltung? Ich dachte z. B. 10 LEDs in Reihe, die Vorwärtsspannung von 3,6V anlegen und einen Vorwiderstand wählen um den Strom auf einen maximalen Wert von vielleicht 25mA zu begrenzen und dann die PWM um bis auf 0mA herunter dimmen zu können. Liege ich da falsch?
Die nicht lineare Charakteristik der Dimmung wollte ich in Software verbergen. Ein mega8 misst die Länge des Impulses am Empfänger der R/C-Fernsteuerung und verteilt den wahrgenommenen Dimmbereichverlauf über den Regelbereich in entsprechende PWM-Signale um.
Nochmals erweiterte Hintergrundinfos:
Die gedimmten circa 30 LEDs sollen indirekt das Deck beleuchten und damit bei Nachtfahrten das Deck blendfrei sichtbar machen. Am Sender steuere ich das mit einem Proportionaldrehkopf.
Die vier HochleistungsLEDs sollen die Segel beleuchten und damit bei Nacht sichtbar machen. Durch das Dimmen der 4 LEDs die unter Deck durch verglaste wärmebeständige Öffnungen von 20x20mm die Segel beleuchten kann man optisch die Segel aus dem Dunkeln ins Licht und zurück dimmen und so die Aufmerksamkeit der Beobachter gewinnen. Die Segelfläche ist etwa 1,5 Quadratmeter groß.

[dennisstrehl]

> "Schock: Addieren sich die Vorwärtspannungen der LEDs bei Reihenschaltung?"

Ja. Bei der Parallelschaltung addieren sich dagegen die Ströme der LEDs. Die LEDs sollte man aber nicht direkt parallel schalten, wegen Toleranzen und Temperaturabhängigkeit der Spannung an der LED.

Wenn man nur mit Vorwiderstand arbeitet, muss man bei der Bordnetzspannung eine Abwägung treffen. Wenn man eine einzelne LED und einen Vorwiderstand zusammenschaltet, ist der Strom halbwegs konstant bei sich ändernder Bordnetzspannung, jedoch werden 16,7V-24,7V "verheizt".
Wenn man mehrere LEDs in Reihe mit einem Vorwiderstand schaltet, ist die Spannung die am Widerstand abfällt kleiner, was weniger Verlustleistung erzeugt, aber der Strom ist dann stärker von der Bordnetzspannung abhängig.

Helfen könnte ein Spannungsregler auf 18 V (7818). Wenn man dann 4 von den kleinen LEDs in Reihe schaltet, hat man schonmal 13,2 Volt, die restlichen 4,8 Volt bleiben für den Vorwiderstand. 4,8 Volt / 0,02 Ampere = 240 Ohm. In einem Vorwiderstand werden dann 96 mW verheizt, das benötigt zumindest keine eigene Kühlung und die Helligkeit ist durch den Spannungsregler unabhängig von der Bordnetzspannung. (Außer vielleicht im äußerst unteren Bereich.) Gesamtwirkungsgrad sind etwa 66% bis 47%, Eigenverbrauch des Reglers nicht mitgerechnet.

Als Alternative dazu könnte man den Stromregler auch selbst aufbauen.
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210253.htm .
Der Spannungsregler fällt dann weg, man kann dann wahrscheinlich 5 LEDs in Reihe schalten, der Wirkungsgrad wird etwas besser.

Meiner Meinung nach lohnt sich für die kleinen LEDs kein Schaltregler.


Nun zu den großen LEDs. Da werden dann entweder Leistungswiderstände fällig und Transistoren / Spannungsregler müssen gekühlt werden. Oder man setzt auf Schaltregler. Ist aber halt aufwendig.

[Ceos]

ausserdem kann man sich ja je nach anordnung der LEDs auch mit bissl bastelei und paar SMD widerständen aushelfen ... verlust hin oder her ... so bleibts relativ klein, wird halt nur n 5mm raster und kein 2.54er

dann klappts auch mit dem parallelschalten

EDIT: muss zugeben war zu faul alle posts nochmal zu lesen ... am aber den treiber bloß nich vergessen, n controller schafft kaum mehr als 2 - 3 LEDs pro pin

[wkrug]

Wenns um einen Schaltregler für High Power LED's geht würd ich mir mal den LM 3404 anschauen.
Er hat einen integrierten Stromregler und einen TTL Kompatiblen Dimm Eingang für PWM Signale.
Guck mal auf der Seiten von Herrn Plischka:
http://www.plischka.at/Leddriver_LM3404.html

[hardware.bas]

Um die, bei günstiger Bemessung geringen Verluste einer Strombegrenzung
für den LED-Strom wird man meistens nicht herumkommen. Das ist jedoch
nicht "Schuld" der PWM. Die PWM sorgt für SCHALTBETRIEB des Leistungs-
transistors bzw. Schaltgliedes, welches die LED ansteuert und verhindert
Leistungsverluste und Wärmeentwicklung in Diesem. Daher darf diese
weder geglättet, noch deren Kanten verschliffen werden. Das Einfachste
beim Flackern ist die Erhöhung der Frequenz, da führt kein Weg vorbei,
ein Blinkgeber ist ja auch PWM und da regt sich keiner auf, wenn bei
dem die Frequenz verändert werden soll. VG Micha

[Besserwessi]

@Hardware.bas: Bei leds kann man beim PWM Singnal auch ruhig einen RC filter zwischenschalten. Die LEDs reagieren nähmlich auf den mittleren Strom, nicht auf den Effektivwert wie eine Glühbirne. An welchem Widerstand man die überschüssige Spannung verheitzt ist für den Wirkungsgrad egal. Mit der Spule, Diode Kombination (notfalls auch ohne Kondensator) nutzt man die extra Spannung dagegen, genau wie beim Schaltnetzteil.


Auch bei den kleinen LEDs könnte sich ein Schaltregler lohnen. Allerdings wohl eher eine gemeinsame einfache Spannungsregelung auf stabile 19 V. Damit könnte man dann gerade noch jeweils 5 LEDs (bei 3.6 V) in Reihe Schalten. Die 30 LEDs sind dann immernoch 6 Stränge oder 120 mA.

[hardware.bas]

Bei PWM geht es in erster Linie darum, die Verlustleistung vom
Treibertransistor fernzuhalten. Der Vorwiderstand bildet mit der LED
den Verbraucher und muss so konzipert werden, daß die maximale
Leuchtstärke möglich ist. Der Vorwiderstand plus LED bildet zusammen
den Verbraucher, egal ob PWM oder nicht. Bei PWM gehts einzig und
allein um die Ansteuerung. Verschleifung und Glättung mit RC-Gliedern
ist nutzloser Bauelementeaufwand und macht das System ausserdem noch
träge. Und mit reiner PWM kann ich die (resultierende) Leuchtstärke
voll und ganz über die Sotware steuern, ohne irgendwelche Zeitkonstanten
und Nichtlinearitäten, bedingt durch Kennlinienkrümmungen des
Treibertransistor zu berücksichtigen. PWM ist konsequenter Schaltbetrieb.
VG Micha

[Hellmut]

@Willa: Maxim hat einige sehr interessante Bauteile für den Automobilsektor. Danke für den Tip! Werde Rückmeldung geben sobald ich meine schaltung, wie auch immer, stehen habe.

[flo1]

hey wer spricht denn hier von LEDs ich will den pwm nicht zum dimmen von irgentwas haben ich möchte einen möglichst sauberen A/D Wandler haben.
Und alles ausser PWM dürfte sich ein bischen schwirig gestallten.

Ich glaub ich mach das jetzt so 100 kOhm wider stand Kondensator gegen Masser 100kOhmWiderstand Kondensator gegen Masser und OPV

[hardware.bas]

Meinst sicher D/A-Wandler? VG Micha