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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik LED Steuerung mit Konstantstromqulle


Autor: Paul F. (zwanzischmark)
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Hallo

ich will mal wieder ein LED Projekt starten. Bisher habe ich das mit 
fester Spannung, Vorwiderstand und PWM gemacht. Das ist ja nicht gerade 
besonders Effektiv besonders bei einer RGB(Y) LED mit 700mA pro Farbe.

aber wie Steuert man die Helligkeit wenn man eine Konstantstromquelle 
benutzt? Man müsste dann pro Farbe eine Quelle haben, sonst geht es gar 
nicht oder?

Autor: Marc Seiffert (euro)
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ja, zuerst benötigst du eine Konstantstromquelle pro Farbe. Die 
Helligkeit seber regelst du dann per PWM.

Bezüglich Effektiv, eine Konstantstromquelle ist grundsätzlich erstmal 
ungefär genauso effektiv wie die widerstandslösung. erst wenn du das 
ganze mit einem Schaltwandler realisierst wird der Wirkungsgrad der 
Schaltung auch höher !

Autor: Paul F. (zwanzischmark)
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ok dann ist der Aufwand wohl doch höher als der Nutzen :-/ dann bleib 
ich wohl bei der alten Variante

danke soweit

Autor: Marc Seiffert (euro)
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das ist Ansichtssache...was genau hast du denn für eine Applikation ? 
eine schaltwandler-konstantstromquelle mit einem wirkungsgrad von 70-80% 
ist einfacher realisiert als man denkt ;) wenn du natürlich nur 30 oder 
40% im widerstand verbrätst ist sie sinnlos....

Autor: Sven (Gast)
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Aber eine Schaltwandler-Konstantstromquelle, die auch noch brauchbar PWM 
kann (min 1:1000 Kontrast, min 400 Hz) ist dann schon wieder recht 
anspruchsvoll...

Autor: Marius S. (lupin) Benutzerseite
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Am einfachsten ist sowas als aufwärtswandler zu bauen. Da kann man die 
LED als Gleichrichterdiode verwenden.

Den Strom kann man messen indem man zum schalttransistor einen 
widerstand in reihe schaltet und bei erreichen eines schwellwerts den 
transistor sperrt.

Wenn man das alles im AVR macht sollte man als Beschaltung nur einen 
FET, eine Spule, einen Widerstand und die LED benötigen. Eine glättung 
ist nur für die Eingangsspannung notwendig.

Damit braucht man dann auch keinen Schaltwandler mit einer PWM zu quälen 
(es gibt ja lösungen die benutzen ON/OFF eingänge von Schaltreglern um 
dort eine PWM drauf zu geben)

Autor: Paul F. (zwanzischmark)
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Ich habe erstmal nach einer geigneten Quelle gesucht die den nötigen 
Strom liefern kann. Da ich (erstmal) 2 dieser LEDs verwenden werde 
sprechen wir hier immerhin von max 23W. Bei Reichelt gibt es 
Schaltnetzteile mit 5V die ich ja für den AVR eh brauche (60W 20EUR). 
Damit hätte ich je nach Farbe max 50% die im Widerstand verbraten 
werden.

rot  2.3V
grün 3.9V
gelb 3.5V
blau 2.4V

@Marius S. - dein beitrag übersteigt etwas mein Fachwissen im bereich 
Elektronik :D. Ich kann mir zumindest nicht all zu viel darunter 
vorstellen.
Die "normale" Variante klingt für mich im moment wieder am einfachsten.

Autor: Marc Seiffert (euro)
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Marius S. wrote:
> Am einfachsten ist sowas als aufwärtswandler zu bauen. Da kann man die
> LED als Gleichrichterdiode verwenden.

sorry, aber dass kann ich so nicht stehen lassen. es mag sicherlich mit 
standart-leds funktionieren. aber ordenltiche Hochleistungsleds (wie 
oben genannte z.B.) sind nicht dafür ausgelegt in Sperrrichtung 
betrieben zu werden. Im schlimmsten Fall ist die Led beim ersten 
Einschalten direkt defekt!

Dann gibt es da spezielle bausteine zu mittlerweile, die das alles prima 
können. Also DCDC-Controlling sowie ne PWM dazu mit ein paar hundert bis 
wenige tausend HZ.

Alternativ ist ne (Getaktete) Reglung mit Avr hier in dem beispiel wohl 
die einfachste.

bei 1,1-2,7V Verlustspannung (entspricht 88-46% Wirkungsgrad) ist sie 
jedoch auch recht sinnlos, da der Wirkungsgrad der Avr-Reglung 
70%-80%sicherlich kaum übertreffen wird. Für einen hohen Wirkungsgrad 
sollten es schon Spezialbausteine sein. Dabei wird die Platine 
komplexer, teurer, man muss viel mehr Dinge beachten und ist sich beim 
Aufbau nie 100% sicher obs so funktionieren wird wie man will oder obs 
doch ein kleinwenig anders wird, gerade als Anfänger.

--> Eine Lösung mit Widerstand und PWM-Dimmung über einen 
Logic-Level-Mosfet ist am sinnvollsten

Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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Paul Fay wrote:
> Ich habe erstmal nach einer geigneten Quelle gesucht die den nötigen
> Strom liefern kann. Da ich (erstmal) 2 dieser LEDs verwenden werde
> sprechen wir hier immerhin von max 23W. Bei Reichelt gibt es
> Schaltnetzteile mit 5V die ich ja für den AVR eh brauche (60W 20EUR).

Du willst deinen µC aber nicht an dieselbe Spannungsquelle anschließen 
wie die getakteten starken LEDs? Das würde nur Probleme geben.

Nimm lieber ein 12V Netzteil und häng nen 7805 für den µC dahinter. Aus 
den 12V kannst dann über eine getaktete Stromquelle den Konstantstrom 
für die RGB-LED bereitstellen.

Eine getaktete Stromquelle ist leicht zu realisieren:
Du nimmst einen Schaltregler (z.B. LM2576-90Cent oder MC34063). Dazu ne 
Spule, Schottky-Diode und nen Widerstand zum Strom messen. Anstatt der 
Rückführung der Ausgangsspannung, führst du die Spannung eines 
Widerstandes zurück, der im Stromkreis hängt. Der Spannungswandler 
arbeitet nun als Stromquelle. Mit Hilfe zweier Widerstände kannst du das 
Rückführsignal mit deinem tiefpassgefilterten PWM-Signal beeinflussen. 
Damit kannst du mit dem µC der Stromquelle einen Sollwert vorgeben.
Das ganze brauchst für die RGB-LED dann drei mal.
Wie schon gesagt wurde lohnt sich das Ganze, wenn du mit der linearen 
Methode zu viel Energie verbrätst.

Natürlich kannst du die Stromquelle auch mit nem µC lösen. Allerdings 
musst du dann immer den Strom von jeder LED-Farbe messen und das PWM für 
die jeweilige Stromquelle verändern. Am besten einen digitalen Regler 
aufbauen. Das ganze ist aufgrund der langsamen digitalen Regelung 
weniger gut als ein richtiger Schaltregler. Außerdem brauchst du für die 
µC-Regelung noch einen externen Transistor (vielleicht MOSFET mit 
extra-Treiber = schon etwas aufwändiger. (Ein MOSFET-Treiber ist teurer 
als ein günstiger Schaltregler)).

Autor: Sven (Gast)
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Nee, das ist doof. Die Referenz der meisten Schaltregler liegt so bei 
1.25 bis 2.5 V, damit fallen bei 1 A Diodenstrom bis 2.5 Watt am Shunt 
an, bei einer 3-Watt-Diode. Das ist nicht das, was ich unter Effizienz 
verstehe.

Man bräuchte einen Schaltregler, der am Shunt so 100 mV bei 1 A braucht. 
Also OPV dazwischenschalten (verschlechtert aber die Regelung), oder was 
Spezielles (ist meist nur als Muster zu bekommen).

Ausserdem ist es was anderes, ob ich eine Diode mit 10% PWM schalte oder 
mit 10% Strom betreibe (gefilterte PWM). Die meisten grünen und blauen 
und eigentlich alle weissen Power-LEDs ändern bei verringertem Strom die 
Farbe merklich.

Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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Sven wrote:
> Nee, das ist doof. Die Referenz der meisten Schaltregler liegt so bei
> 1.25 bis 2.5 V, damit fallen bei 1 A Diodenstrom bis 2.5 Watt am Shunt
> an, bei einer 3-Watt-Diode. Das ist nicht das, was ich unter Effizienz
> verstehe.

Nicht ganz. Bei einer Steuerspannung von 0-5V vom µC sind es bei 1A nur 
1,6W. Das berechnet sich aus der Überlagerung. Zugegeben auch relativ 
hoch.


> Man bräuchte einen Schaltregler, der am Shunt so 100 mV bei 1 A braucht.
> Also OPV dazwischenschalten (verschlechtert aber die Regelung), oder was
> Spezielles (ist meist nur als Muster zu bekommen).

 Ein OP ist für die Regelung zwar nicht vorteilhaft aber bei Weitem 
besser als eine digitale Regelung.


> Ausserdem ist es was anderes, ob ich eine Diode mit 10% PWM schalte oder
> mit 10% Strom betreibe (gefilterte PWM).

Ja und? Die Helligkeit einer LED über Strom zu verändern ist linearer 
als über PWM-Pulse.

> Die meisten grünen und blauen
> und eigentlich alle weissen Power-LEDs ändern bei verringertem Strom die
> Farbe merklich.

Über PWM-Pulse ist das noch schlimmer!


PS: Im Anhang hab ich mal die Sollwertvorgabe gepostet. Über I_Shunt 
sitzt der Verbraucher.
Für eine Steuerspannung von 0..5V sind die Widerstände so zu wählen:
R2=3k3
R1=10k
Bei 5V Steuerspannung -> Strom = 0
Bei 0V Steuerspannung -> Strom = max.
Der maximalstrom berechnet sich aus dem Shunt.
Bei R_shunt = 1,6 Ohm fließt 1A.
Das Ganze ist für eine Referenzspannung vom Regler von 1,23V/1,25V 
ausgelegt

Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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Hier noch die Grafik.

Autor: Marc Seiffert (euro)
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@ Igor Metwet

hör auf sonen Schwachsinn zu reden !

Eine LED per PWM zu reduzieren ist fast 100% Linear, über den Strom 
überhaupt nicht (z.B. liefert eine Ostam Ostar 55 lm/Watt bei 700mA und 
65 lm/Watt bei 350mA, siehe Datenblatt).

Zudem verändern sich DEFINITIV die Farbwerte da die Farbe von Strom und 
Temperatur abhängig ist, und die Temperatur in beiden Fällen fast gleich 
ist. (siehe gleiches Datenblatt, z.B.)

Autor: Guido Körber (Gast)
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>Man bräuchte einen Schaltregler, der am Shunt so 100 mV bei 1 A braucht.

Sehr richtig...

>Also OPV dazwischenschalten (verschlechtert aber die Regelung), oder was
>Spezielles (ist meist nur als Muster zu bekommen).

Nö, gibt es auch in Serie:
http://www.led-there-be-light.de

Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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Marc Seiffert wrote:

> hör auf sonen Schwachsinn zu reden !

Na na na, nicht ausfällig werden. Erst denken, dann schreiben!

> Eine LED per PWM zu reduzieren ist fast 100% Linear, über den Strom
> überhaupt nicht (z.B. liefert eine Ostam Ostar 55 lm/Watt bei 700mA und
> 65 lm/Watt bei 350mA, siehe Datenblatt).


Du weißt aber schon, dass das Auge die Helligkeit nicht linear sondern 
logarithmisch wahrnimmt? Bei 50% PWM sieht das Auge die LED nicht als 
"halb hell" an. Das Auge sieht die LED als fast komplett an. Hast du mal 
eine LED mit PWM durchgefahren? Die größte Änderung siehst du bei 0 bis 
20%. Umso höher du gehst, desto weniger Untschied erkennst du zwischen 
den Schritten.

Dass LEDs bei zunehmenden Strom an Wirkungsgrad verlieren ist allgemein 
bekannt. Darum gehts hier aber nicht.
Aber man kann Argumentieren, dass bei Konstantstromquelle der 
Wirkungsgrad höher ist, da die LED bei niedrigem Strom einen besseren 
Wirkungsgrad hat, als bei vollem Strom (ist beim Pulsbetrieb während dem 
High-Pegel nunmal so).

Autor: Marc Seiffert (euro)
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Das ist korrekt, das Auge nimmt die Lichtstärke logarithmisch dar. Ist 
meist Problematisch in Verbindung mit digitalen Schaltungen da die PWM 
leider immer auf einem linearen Ansteuerungsraum basiert und somit sehr 
kleine Ansteuerungswerte nicht differenziert genug dargestellt werden 
können. Im Anhang mal ne Excel-Tabelle die ich vor ein paar Tagen für ne 
Hochleistungs-Ledlampe erstellt habe, stellt die Sache optisch ein wenig 
dar.

Hat aber nix damit zu tun dass die Helligkeit der Led per PWM linearer 
geregelt werden kann. Objektiv gesehen. Vom Helligkeitsempfinden des 
Menschlichen Auges war nie die Rede ;)

Tjoa, das ist halt der große Vorteil der Konstantstromquelle. Hat aber 
auch nix mit den beiden Kritikpunkten zu tun...

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