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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Steuerbare Konstantstromquellen (max. 2A)


Autor: Meinhard Schneider (meinhard)
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Hallo,

ich habe eine Frage zu steuerbaren "Konstant"stromquellen. Ich habe euer 
Forum durchstöbert, habe allerdings noch nichts gefunden was (soweit ich 
das beurteilen kann) für mein Problem passt.

Problem:
Ich habe mehrere Pfade (momentan 2, später 3 oder sogar 4), in denen 
fertige LED-Module hängen. Das ganze läuft mit max. 12V. In jedem Pfad 
hängen 90 Module mit je 3 LEDs, jedes Modul zieht 18mA.  Das macht also 
1,62A in jedem Pfad.

Ich möchte gerne über einen µC jeden Pfad getrennt dimmen können. Soweit 
ich das verstehe, geht das am Besten über den Strom. Daher dachte ich 
daran, eine programmierbare Konstantstromquelle zu bauen. Auf einer 
Seite [1] habe ich schon so eine Schaltung entdeckt, die - soweit ich 
das verstehe, das PWM-Signal eines Atmel als Eingang nimmt.

Was ich nicht verstehe/dem Text entnehmen kann:
- mit welchem Strom ist die Schaltung max. belastbar?
- wenn ich als Eingang ein PWM-Signal habe, ist der Ausgang dann genauso 
"rechteckig"?

Vorzugsweise hätte ich am Ausgang einen wirklich konstanten - aber eben 
regel-/einstellbaren Strom. Die Idee ist, dass die Lebenserwartung der 
LEDs nicht allzu groß ist, aber sie sich dramatisch erhöht, wenn man nur 
mit 8V an die Module rangeht.
Das mit dem regelbar kommt daher, da ich gerne schöne Effekte mit den 
LEDs machen würden (also Sinus-förmiges ein- und ausschalten der LEDs).

Auf dem Atmel würde ich gerne wieder Ethersex [2] laufen lassen, damit 
habe ich sehr gute Erfahrungen. Damit ist - in Software - auch eine PWM 
mit 200Hz möglich.

Als Spannungsquelle wollte ich ein normales 12V Schaltnetzteil 
(vorläufig wohl einer ATX-Netzteil) einsetzen. Ein gewisser 
Spannungsdrop ist i.O., sprich wenn max. nur noch so um die 11,5V 
anliegen würden, wäre das absolut ok.


Vielleicht habt ihr ja eine Idee oder Anregung, wie ich das umsetzen 
könnte.

Vielen Dank
Meinhard


[1]: 
http://www.mikrocontroller.net/articles/Konstantst...
[2]: http://www.ethersex.de

Autor: hans (Gast)
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Hallo Meinhard,

evtl. ist das angehängte was für dich.

Mit R5 legst du den max. Strom fest.
Für 2 A sind es 0,25 Ohm.

Die Spannung E1 (0-5V) wird linear zum Strom I1 (0- Imax).

Gruß Hans

Autor: hans (Gast)
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Hier noch die Werte.
(Sc.... 2 Anhng!)

Hans

Autor: Ulrich (Gast)
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So wie gezeigt, hat man ziehmlich viel Spannungsverlust, wenn der OP 
nicht mit mehr als 12 V versorgt wird. Besser die LEDs auf die 
Kollektorseite des Transistors legen. Bei 2 A wird es schon sehr knapp, 
das der OP genug Basisstrom liefern kann. Deshalb besser ein N-Mosfet 
nehmen.

Sonst halt die Schaltung aus dem ersten Link nehmen.

Bei den Modulen muß man aber auch noch Widerstände haben, damit sich der 
Strom gleichmäßig aufteilt. Also die LEDs nicht einfach parallel 
schalten.

Autor: Michael (Gast)
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Ich nehm für sowas immer die Schaltung im Anhang als Ausgangsschaltung. 
Funktioniert recht einfach, der Strom wird über V2 und R1 eingestellt. 
Hab auf Basis dessen erst letzte Woche ein Stromquelle für bis zu 2A 
aufgebaut.

Autor: Meinhard Schneider (meinhard)
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Hallo,

vielen Dank für eure Antworten!

Michael schrieb:
> Ich nehm für sowas immer die Schaltung im Anhang als Ausgangsschaltung.
> Funktioniert recht einfach, der Strom wird über V2 und R1 eingestellt.
> Hab auf Basis dessen erst letzte Woche ein Stromquelle für bis zu 2A
> aufgebaut.
Das sieht ja sehr interessant aus. Reicht es aus, die Spannung V2 zu 
variieren (z.B. über einen PWM-Ausgang des Atmel) und den R1 konstant zu 
wählen?
Oder alternativ: konstante Spannung an V2 und einen programmierbaren 
Widerstand?

Kannst Du für die Schaltung mal konkrete Dimensionen bzw. Bauteile 
benennen?

Viele Grüße
Meinhard

Autor: Michael (Gast)
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Beides ist möglich. Ich halte immer R1 konstant, primär kommt da bei mir 
ein 0.1 bzw. 0.2 Ohm Widerstand rein, Leistungsmäßig kommts dann drauf 
an wie ich die V2 wähle. Oft hab ich da einen 25W Widerstand da ich oft 
viel Strom brauche, der aber nicht sonderlich konstant sein muss, er 
darf dann ruhig mal um 0.1 A schwanken. Da reicht dann ein 5% 
Widerstand. Machen wir mal eine Beispielrechnung für einen fiktiven 
Verbraucher:

I_max: 2A
R_max @ 2A: 10 Ohm
=> U_last @ 2A & R_max: 20 V
V_steuer: 0...5V @ 0...2A
=> R1 = 5V/2A = 2.5 Ohm

Ok, hier bräuchte man also einen 2.5 Ohm Widerstand...wenn da 2A durch 
gehen verheizen wir an dem Widerstand so Pi mal Daumen 10W...das ist ne 
Menge. 1W oder besser 0.1W wäre viel schöner. Außerdem kämen bei 2.5 Ohm 
und 2A auch 5V Spannungsabfall zustande, auch nicht schön.
Gehen wir mal einen 1W Widerstand an:

R1 = 1W/4A² = 0.25 Ohm

hieraus folgt nun, dass wir als Referenzspannung leider nicht mehr 5V 
haben sondern 0.5V. Unsere Steuerspannung soll aber von 0-5V gehen. 
Entweder man behilft sich hierbei eines ohmischen Spannungsteiler oder 
aber man nimmt einen OP mit dem man die Spannung entsprechend anpasst 
(oder halt über einen ganz anderen Weg, wie es beliebt).

Nimmt man einen 0.1W Widerstand bräuchte man einen Wert von 0.025 Ohm, 
dann verbrät man nicht so viel Leistung aber die Referenzspannung muss 
genau eingestellt werden, 0.5V oder 0.05V ist schon ein erheblicher 
Unterschied => mehr Aufwand beim Erzeugen der Refernzspannung.

Oft nutze ich als Shunt einen 0.1 Ohm Widerstand und max. 1 V 
Steuerspannung. Da hat man dann 10W die man maximal verheizt und 
Widerstände, die das können, gibts wie Sand am Meer. Natürlich nicht für 
10ct, 5 Euro plan ich da immer ein als Minimum. Aber der Rest ist 
hierbei dann lächerlich einfach.

Autor: Meinhard Schneider (meinhard)
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Hallo Michael,

schon mal vielen Dank für Deine ausführlichen Antworten.

Ich konnte soweit Deinen Ausführungen folgen. Mir scheint es am 
sinnvolsten, die V1 über einen DAC zu erzeugen. Das hat - soweit ich es 
verstehe - den Vorteil, dass der DAC ein permantes Signal am Ausgang 
hat, selbst wenn der µC abstürzen würden (bzw. ich brauche vom µC nur 
dann Befehle an den DAC schicken, wenn die Ausgangsspannung am DAC 
verändert werden soll).

Auf der Mikrocontroller-Seite habe ich als Standardbauteil den LTC1257 
gefunden. Der macht - als Kurzschlussstrom Vout bezogen auf GND - max. 
60mA.

Kannst Du beziffern, wie groß der Strom ist, der durch V2 zur Verfügung 
gestellt werden muss? Ich habe keine Ahnung, was der OP so braucht...

Hinsichtlich der Steuerspannung: spricht irgendwas dagegen, die 
Steuerspannung nicht auf TTL-Niveau sondern nur mit 0 bis 0,5V zu nehmen 
(das lässt sich ja ganz simpel mit einem Spannungsteiler erreichen)?

Viele Grüße
Meinhard

Autor: Michael (Gast)
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In der Theorie muss V2 gar kein Strom liefern da in den OP keine Ströme 
fließen. In der Praxis schauts etwas anders aus da der OP ja schon einen 
kleinen Eingangsstrom hat. Wie groß der ist hängt vom OP ab, es schimpft 
sich Input Bias Current...oder war das der Input Offset Current? Ich 
verwechsel die beiden immer (der eine bezeichnet den Strom in einen 
Anschluss, der andere die Summe beider Ströme (+ & - Eingang). However, 
für gewöhnlich liegen diese Ströme im Bereich von einigen nA (je nach OP 
gehts von 0.x nA bis einige 100 bis 1000 nA, kommt halt echt auf den OP 
an. LM1458 hat bis zu 800 nA mein ich, beim OP07 irgendwas um die 10 nA 
um nur mal ein Beispiel zu nennen. Lange Rede, kurzer Sinn: Wenn V2 1mA 
liefern kann brauchst du dir hier keine Gedanken zu machen.
Das Signal sollte kontinuierlich anliegen, eine PWM also mit geeignetem 
Filter in eine Gleichspannung umwandeln. Du könntest auch die Slewrate 
des OPs ausnutzen, wenn die gering genug ist kannste den OP ja als 
Quasi-TP nutzen.
Wenn du magst kann ich dir hier mal ein LTSpice-File zur Simulation 
reinpacken, dann kannst du ein wenig experimentieren.

Autor: Meinhard Schneider (meinhard)
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Hallo Michael,

vielen Dank für Deine zusätzlichen Ausführungen.

Das mit der Simulation hört sich toll an, mich interessiert besonders, 
wie linear der Ausgangsstrom V2 folgt.

Du sagtest, dass Du die Schaltung schon öfters benutzt hättest. Kannst 
Du die Bauteile mal mit Namen versehen? Mir ist in die Zusammenhang 
wichtig, dass die Schaltung lange, zuverlässig und autark läuft - also 
gebe ich gerne ein paar Euro mehr aus und kaufe solide Bauteile.

Vielen Dank nochmal für Deine Hilfe!

Viele Grüße
Meinhard

Autor: Michael (Gast)
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Als OP hatte ich letzes mal nen LT1006 verwendet (ist ein Single-Supply, 
man braucht also keine negative Spannung) andere gehen aber auch. MOSFET 
waren drei IRLZ34N die auf nem alten, ausrangierten, CPU-Kühler drauf 
gepappt worden sind. Und der Shunt ein 25W Widerstand (ohne KK kann man 
an dem 12.5W verheizen was der wohl nie sehen wird, RS 160-635 hatte ich 
hier rumliegen und diente ein paar Jahre als Staubfänger, jetzt tut er 
mal wieder was seinem ursprünglichem Verwendungszweck angemessen).

Autor: Kevin K. (nemon) Benutzerseite
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vergleichbar mit obiger Schaltung ist auch eine elektronische Last, die 
ich gerade baue. Hier wird der Strom aber über einen Stromsensor auf 
Halleffektbasis gemessen. Bei Strömen von 50 Ampere ist ein Shunt sehr 
unhandlich groß und obiges Problem, die Referenzspannung genau genug 
einstellen zu müssen, tritt nicht auf.

Autor: Michael (Gast)
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Das ist klar, ab gewissen Stromgrößen sollte man auf andere Messmethoden 
gehen als mit Widerstand es sei denn man mag ne Heizung bauen. Aber hier 
gehts ja nicht um 50A sondern um 2A und Ziel ist auch LEDs zu dimmen und 
dafür ist es nicht erfoderlich, dass die Stromquelle auf 10 ppm genau 
ist. 1% tuts auch.

Autor: Meinhard Schneider (meinhard)
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Hallo Michael,

ich habe gestern die benötigten Teile bestellt. Als R1 haben ich von 
Ohmite einen 0,25 Ohm Widerstand für 5W genommen. Das sollte ja wohl 
dicke reichen.

Noch eine Frage zur Schaltung: nach was bemisst sich R2? Gibt da einen 
formelhaften Zusammenhang?

Viele Grüße
Meinhard

PS: Mal schauen, vielleicht komme ich am Wochenende dazu, das Ganze auf 
einem Steckbrett zusammen zu bauen...

Autor: Kevin K. (nemon) Benutzerseite
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Nein, gibt es nicht. Mit 10k machst du vermutlich nichts falsch.

Autor: Michael (Gast)
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R2 dient lediglich dazu, den MOSFET sicher abzuschalten. 10k gingen 
auch. Bemessen tut er sich nach dem maximalen Strom, den der OP liefern 
kann. Kann der OP z.B. nur 20mA liefern und er kann den Ausgang auf 5V 
hoch bringen dann darf der Widerstand nicht kleiner sein als 5V/20mA=250 
Ohm. Sonst würde ja der OP überlastet werden. Erstmal aus dieser Sicht. 
Die andere Sicht ist die Frage, wie schnell sich der Transistor 
abschalten können muss. Das hängt dann auch wieder von R2 ab, je kleiner 
der ist desto schneller kann er abschalten. However, 1k bzw 10k sind 
Erfahrungswerte, die mir bisher immer genügten.

R1 mit 5W sollte reichen, Worst Case: 2A=>P=I^2*R=2A*2A*0.25Ohm=1W. 5W 
passen also locker. Achte auf die Kühlung für die die 5W gelten: Mein 
Beispielwiderstand oben ist immer mit 25W angegeben. Erst das Datenblatt 
verrät, dass das nur in Verbindung mit einem Kühlkörper mit einem 
Rth<4K/W gilt. Ohne Kühlkörper darf der nur 12.5W. Also, schau für was 
deine 5W beim Widerstand gelten. Mit Kühlkörper oder Ohne oder muss 
dafür ein Lüfter mit z.B. 30ft^3/min drauf pusten.

Ebenfalls musst du die Leistung bei den MOSFETs bedenken, die da 
verheizt wird. Für deren Auslegung gehe ich immer vom Worst Case aus, 
d.h. die Quelle ist kurzgeschlossen, die komplette Leistung wird über 
den MOSFETs verbraten. Da nehm ich dann immer soviel FETs, dass einer 
bei gleicher Belastung höchstens 20W verbraten muss. Natürlich kommen 
auch die FETs auf einen Kühlkörper. Bei passender Auslegung kommt man 
dann auf einen Rth der FETs von 3K/W, d.h. der jeweilige FET wird 60 K 
heißer als die Umgebung wenn alles an ihnen verbraten wird. Bei 40°C 
sind das 100°C im innern, das halten die meisten FETs aus (vgl. 
Datenblatt, die meisten vertragen so 125-150°C).

Autor: Meinhard Schneider (meinhard)
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Hallo allerseits,

ich habe mal meine Ideen zusammen geklickt. Die Idee für die eigentliche 
Konstantstromquelle habe ich natürlich bei Michael "geliehen".

Ich vermute mal, dass die Optokoppler viel zu träge sind. Auf Lager 
hätte ich sonst noch CNY17, aber die sind wohl auch zu lahm. Vermutlich 
brauche ich schon 6N137 o.ä. Oder was meint ihr?

Viele Grüße
Meinhard

Autor: Gast (Gast)
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Mal ein paar generelle Anmerkungen zu deinem Vorhaben:

Du willst LEDs über konstanten Strom dimmen.
Bei 2 A sind das bestimmt High Power LEDs.
Wenn das zufällig weiße LEDs sind, ist das ein
schlechte Idee, denn die ändern ihre Farbe mit
dem Strom. Allgemein werden heute Leistungsleds
mit PWM über die Pulsbreite gedimmt. Hat auch den
Vorteil, daß der Wirkungsgrad besser ist. Ich würde
mal nach LED Ansteuer-ICs schauen. Ich denke auch
der benötigte Platz (die Ansteuer-ICs sind teilweise
auch nicht größer als der OP) wird nicht mehr.

Gruß

Ralf

Autor: Meinhard Schneider (meinhard)
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Hallo Ralf,

Danke für Deine Hinweise.

Gast schrieb:
> Du willst LEDs über konstanten Strom dimmen.
> Bei 2 A sind das bestimmt High Power LEDs.
[...]

Nein.

Es geht um ca. 90 LED-Module (fertig vergossen, 3 SMD-LEDs in Reihe mit 
Vorwiderstand), die sich direkt an 12V betreiben lassen.

Ich habe die Module hier schon liegen und das Ganze an meinem regelbaren 
Netzteil mit dem Strombegrenzungs-Regler probiert. Das geht genau so, 
wie ich mir das vorstelle, wunderbar.

Viele Grüße
Meinhard

Autor: Michael (Gast)
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Hab ich das grad richtig verstanden? Du willst x LEDs parallel über eine 
einstellbare Stromquelle betreiben? Wenn das der Fall ist, dann solltest 
du folgendes bedenken:

Nehmen wir mal an wir haben drei LEDs die parallel an einer Stromquelle 
hängen. Fällt nun eine LED aus dann müssen die verbliebenen zwei LEDs 
den Strom übernehmen, der eigentlich durch die dritte LED gefallen. Das 
wiederum erhöht die Ausfallwahrscheinlichkeit einer der verbliebenen 
LEDs.

Fazit: Fällt eine LED aus ist eine hohe Wahrscheinlichkeit gegeben, dass 
als Folgefehler alle anderen LEDs an einer Stromquelle ebenfalls 
ausfallen. Bei einer Parallelschaltung von LEDs, wie hier wohl geplant, 
sollte man immer mit Konstantspannung arbeiten und nicht mit 
Konstantstrom. Konstantstrom ist nur bei Reihenschaltung von LEDs zu 
empfehlen.

Autor: Meinhard Schneider (meinhard)
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Hallo Michael,

auch Dir nochmals Danke für Deine Hinweise.

Michael schrieb:
> Hab ich das grad richtig verstanden? Du willst x LEDs parallel über eine
> einstellbare Stromquelle betreiben? Wenn das der Fall ist, dann solltest
> du folgendes bedenken:
[...]
Das hab ich mir schon alles überlegt. Deshalb ist bereits die 
Spannungsquelle V1 schon so "schwach" ausgelegt, dass man die LEDs damit 
auch direkt treiben könnte. Daher halte ich es nicht für so schlimm, 
wenn ein paar Module ausfallen (jedes der 90 Module zieht 18mA bei 12V), 
dann steigt halt der Strom in den anderen Modulen geringfügig an (also 
bei 10 defekten Modulen würde der Strom pro heilem Modul von 18mA auf 
20mA steigen).

Abgesehen davon will ich die Module eigentlich so oder so nur maximal 
mit einem Strom von 8 oder 10mA/Modul betreiben, von daher fällt die 
Belastung bei Ausfällen eh noch geringer aus.

Kurz um: ich halte die Belastung der heilen Module durch den 
zusätzlichen Strom der defekten Module für absolut vertretbar.

Und: wenn Module kaputt gehen, werde ich diese raus schneiden und Ersatz 
einlöten (sprich es wird auch nicht allzu viele Module auf einmal geben, 
die defekt sind).

Viele Grüße
Meinhard

PS: Über eine Schaltung für eine Konstantspannungsquelle - nach dem 
gleichen Prinzip wie die Konstantstromquelle über eine regelbare 
Spannung - können wir uns ja ein andern Mal unterhalten ;-)

Autor: Leuchtdiode (Gast)
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Hallo,

> Ich habe die Module hier schon liegen und das Ganze an meinem regelbaren
> Netzteil mit dem Strombegrenzungs-Regler probiert. Das geht genau so,
> wie ich mir das vorstelle, wunderbar.
Das ist aber keine Konstantstromquelle, sondern ein Strombegrenzung.
Was passiert den wenn du den Strom begrenzt? Die Ausgangsspannung
am Netzteil geht zurück, oder?

> ...(also
> bei 10 defekten Modulen würde der Strom pro heilem Modul von 18mA auf
> 20mA steigen)...
Aber nur in der Theorie, in der Praxis kann ein Modul mehr, das andere
weniger übernhmen.

> Bei einer Parallelschaltung von LEDs, wie hier wohl geplant,
> sollte man immer mit Konstantspannung arbeiten und nicht mit
> Konstantstrom. Konstantstrom ist nur bei Reihenschaltung von LEDs zu
> empfehlen.
Dem würde ich zustimmen. Ich würde eine regelbare
Spannungsquelle bauen und nicht ein Konstantstromquelle.

> Und: wenn Module kaputt gehen, werde ich diese raus schneiden und Ersatz
> einlöten (sprich es wird auch nicht allzu viele Module auf einmal geben,
> die defekt sind).
Bis dort können ja schon wieder andere Module vorgeschädigt sein, das
sieht man ja nicht sofort.


Gruß

Ralf

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