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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Mittelwert-Bildung einer nicht-sinusförmigen Spannung


Autor: ben91 (Gast)
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Hallo liebe Forenmitglieder!

Ich habe folgendes Problem und hoffe,
dass vielleicht jemand von euch eine passende Problemlösung dazu findet 
:-)

Zuerst aber die ganze Geschichte:

Seit gut zwei Monaten habe ich mir zum Ziel gesetzt,
eine dimmbare, µC-gesteuerte Taschenlampe mit Hochleistungs-LED zu 
konstruieren. Die Schwierigkeit dabei besteht darin,
aus den 4.8V-Betriebsspannung, eine Spannung von ca. 14V zu generieren.
Zudem benötigt die LED dabei einen Strom von ca. 1Ampere.
Da die ganze Schaltung sehr kompakt gebaut werden sollte,
war es nicht möglich, neben dem µC einen Step-Up-Converter
auf der Platine unterzubringen.
Daher blieb mir nichts anderes übrig, als den Aufwärts-Schaltregler mit 
dem Mikrocontroller selbst zu erzeugen.
Die Spannungserhöhung funktioniert bereits relativ gut,
Nachteil dieser Methode ist, dass die Spannung nicht konstant,
sondern in Form von Spannungsspitzen auftritt :-(
Da die LED jedoch bereits mit diesen Spitzen ihre volle Leuchtkraft
entfaltet, sah ich darin bisher kein Problem.
Um die LED auf ihrem Arbeitspunkt optimal betreiben zu können,
ist es jedoch notwendig, eine Konstantstromquelle zu verwenden.
Dies wollte ich damit realisieren, dass der LED-Betriebsstrom über einen 
kleinen Shunt-Widerstand (0.65R) einen Spannungsabfall generiert
(1A = 650mV) [siehe "Bild2"].
Dieser Spannungsabfall sollte anschließend vom ADC des Controllers 
quantisiert werden und die LED-Spannung entsprechend geregelt werden,
um den Strom Konstant zu halten.

Leider ergab sich dabei eine Schwierigkeit, welche ich zuvor überhaupt 
nicht bedacht habe:
Der Aufwärts-Regler läuft mit einer Frequenz von ca.33kHz ==> 
Spannungsspitzen haben eine Frequenz von 33kHz!
Der ADC im µC jedoch, ist um ein vielfaches zu langsam,
diese kurzen Spannungsimpulse zu Wandeln :-(


Nun meine Frage an euch, ist es sinnvoller diese Spannungsspitzen[siehe 
"Oszillogram"] zuerst in dessen Mittelwert oder Effektivwert
umzuwandeln, bevor es vom ADC erfasst wird?

Wenn JA, wie soll ich den Mittelwert bzw. Effektivwert aus diesen 
Spitzen
generieren (schaltungstechnisch)?!

Wenn NEIN, wie soll ich dann vorgehen?

Vielen Dank bereits im Voraus!!

Autor: Lukas K. (carrotindustries)
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Wie groß ist die Induktivität, die du für den Stepup eingesetzt hast, 
wie groß der Ausgangskondensator?

Autor: Joachim K. (minifloat)
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Die Frage ist, wie schnell dein Regelkreis sein soll.
Soweit ich das verstanden habe, wilst du den Regler im µC mit einbetten.

Du misst über den ADC-Eingang den Strom. Glätte den doch mit einem 
RC-Netzwerk. Der Regelkreis wird dadurch zwar gestört, da die 
Rückführung plötzlich eine Zeitkonstante aufweist(PT1-Verhalten). 
Dadurch misst der µC erstmal eine Zeitlang nichts und der Strom "klebt" 
an der Obergrenze, wenn du nur einen P-Regler einbaust. Also muss das 
Nachregeln im µC auch gedämpft erfolgen. Dadurch erhältst du auch einen 
Softstart, was sicherlcih ncith schlecht ist.

Zu deiner allgemeinen Herangehensweise: Du willst erst die 4,8V auf 14V 
bringen, um da dran dann einen Stromregler zu betreiben? Und dann 1A aus 
den 14V haben?

Bedenke dass der Gesamtwirkungsgrad durch zwei Wandler/Schaltregler eher 
suboptimal sein wird. Ich würde einen µC hernehmen, der PWM direkt 
erzeugen kann. Dieser PWM-Ausgang kann dann auch über eine kleine 
Transistorstufe direkt das Gate des Mosfets steuern. Wenn die 
Taschenlampe aus ist, kann man den µC ja schlafen legen.

mfg mf

Autor: Ernestus Pastell (malzeit) Benutzerseite
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Die Spannung über den Shunt mit eine RC-Tiefpass glätten dürfte dich 
einen Schritt weiter bringen, denn ansonsten brauchst du eine recht hohe 
Abtastrate bei deinen 30 kHz Schaltfrequenz.

Autor: ben91 (Gast)
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Hallo Luk4s!

Die Induktivität ist eine kleine SMD-Spule mit 100µH.
Ausgangskondensator habe ich keinen verwendet,
da dies aus Platzmangel (großer Strom = großer Elko)
nicht gut möglich wäre :-(
Gibt es denn einen Weg, eine halbwegs "ruhige" Gleichspannung
zu generieren ohne dabei große Filter o.ä. verwenden zu müssen?

Autor: GGaasstt (Gast)
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Vergrößere lieber erstmal den Ausgangskondensator (oder tausche in gegen 
einen mit geringerem ESR, je nachdem was du da verbaut hast...)

Autor: GGaasstt (Gast)
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ben91 schrieb:
> Gibt es denn einen Weg, eine halbwegs "ruhige" Gleichspannung
> zu generieren ohne dabei große Filter o.ä. verwenden zu müssen?

Ja, Frequenz erhöhen... Ab etwa 500 kHz eignen sich 
Keramik-Kondensatoren ganz gut...

Autor: Lukas K. (carrotindustries)
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Ohne Elko,

ben91 schrieb:
> Gibt es denn einen Weg, eine halbwegs "ruhige" Gleichspannung
> zu generieren ohne dabei große Filter o.ä. verwenden zu müssen?

Ja, wenn du sehr hohe Schaltfrequenzen verwendest. Manche 
Schaltregler-ICs schaffen mehrere MHz. Dann werden auch die 
Induktivitäten und die Kondensatoren kleiner.

Autor: Joachim K. (minifloat)
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ben91 schrieb:
> große Filter

L--+                 ______...
  _|_               |
  \ / LED           |   µC
  ---               |
   |                |
---+----R----+------|ADC0
   |         |      |
 Shunt       = C    |______... 
   |         |         |
---+---------+---------+
  _|_

Autor: ben91 (Gast)
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@ Jo K.:  ... Ich möchte den Aufwärts-Schaltregler zugleich als 
Stromregler verwenden ==> der Wirkungsgrad ist ziemlich gut
Ich verwende dazu bereits den PWM-Ausgang + Sleep-Mode für den 
Schalt-MOSFET ;-)

@ GGaasstt: der µC wird mit der internen Taktfrequenz von 8MHz 
betrieben,
da ich keinen Prescaler verwende und eine 8-Bit-PWM-Stufe einsetze 
ergibt sich daraus eine maximale verfügbare Schalt-Frequenz von 
theoretisch 31.25kHz ... somit fällt die Möglichkeit der 
Frequenz-Erhöhung leider weg  :-(

Autor: Joachim K. (minifloat)
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Da das Filter jetzt auch nicht mehr so
riesig ausfallen wird, passt dann ja alles.

mfg mf :D

Autor: Lukas K. (carrotindustries)
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Dann nehm doch einen µC mit eingebauter PLL. Die macht dann für den 
Timer 16MHz oder mehr. Entsprechend höher wird auch die PWM-Frequenz.
PS: Wofür braucht eine Taschenlampe einen µC?

Autor: ben91 (Gast)
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@ Jo K.:  blöde Frage, aber wie schaut denn so ein Filter genau aus? 
gg

@ Luk4s K.:  Ich verwende bereits den ATmega16 & kann nicht mehr auf 
einen anderen µC ausweichen :-(   ... die Taschenlampe enthält 
zusätzlich noch ein Ladegerät für den integrierten Akku & ist auch für 
die Dimmung verantwortlich ;-)

Autor: spess53 (Gast)
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Hi

>da ich keinen Prescaler verwende und eine 8-Bit-PWM-Stufe einsetze
>ergibt sich daraus eine maximale verfügbare Schalt-Frequenz von
>theoretisch 31.25kHz ... somit fällt die Möglichkeit der
>Frequenz-Erhöhung leider weg  :-(

Ich komme auf 62,5 kHz.

MfG Spess

Autor: ben91 (Gast)
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@ spess53:  8.000.000Hz dividiert durch 8-Bit (=256) = 31250Hz?!

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