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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Hochleistungs LED mit programmierbarer Strombegrenzung


Autor: Di Pi (drpepper) Benutzerseite
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Hallo,

ich möchte HochleistungsLEDs gepulst betreiben. Dabei habe ich vor, per 
PWM und N-Kanal Mosfet die LED auf Masse zu ziehen.
Soweit so gut, alles kein Problem.

Meine Frage ist, wie ich es schaffen kann, den Durchflussstrom während 
der HIGH-Zeit im Dutycycle der PWM vom Controller aus zu begrenzen, 
sodass er verändert werden kann (im Bereich zwischen 500mA bis 2,5A, 
Auflösung nicht wichtig).

Gruß,
drpepper

Autor: dummy (Gast)
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>ich möchte HochleistungsLEDs gepulst betreiben.

Ach, möchtest du?

> Dabei habe ich vor, per
>PWM und N-Kanal Mosfet die LED auf Masse zu ziehen.

Dann tue es doch.

>Meine Frage ist, wie ich es schaffen kann, den Durchflussstrom während
>der HIGH-Zeit im Dutycycle der PWM vom Controller aus zu begrenzen,
>sodass er verändert werden kann (im Bereich zwischen 500mA bis 2,5A,

Der Durchlassstrom wird durch die PWM geregelt.
Der Maximalstrom durch eine feste Strombegrenzung wenn die
LED dauerhaft eingeschaltet wird. Dieser Maximalstrom
wird durch die PWM zerhackt und ergibt einen geringeren mittleren
Duchlaßstrom. Je nach Pulsbreite.

Autor: Di Pi (drpepper) Benutzerseite
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> ...den Durchflussstrom während
> der HIGH-Zeit im Dutycycle der PWM vom Controller aus zu begrenzen,
> sodass er verändert werden kann

...

Ich möchte den Maximalstrom verändern. Wie eine PWM-Dimmung funktioniert 
weiß ich.

Autor: dummy (Gast)
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>Ich möchte den Maximalstrom verändern.

Das ist aber falsch !

Autor: Di Pi (drpepper) Benutzerseite
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Sag mir nicht was falsch ist. Es geht um Grenzbelastungstests. Und dazu 
muss ich den Maximalstrom der AN-Zeit verändern.

Ich habe schon Gründe, warum ich die Frage gestellt habe, wie ich es 
getan habe. Wenn du also keine hilfreiche Antwort geben kannst, dann 
spamme mir bitte auch nicht den Thread zu.

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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Verschiedene Vorwiderstände, die du durch P-Kanal-FETs umschaltest?
Oder eine einstellbare Konstantstromquelle?

Autor: dummy (Gast)
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>Sag mir nicht was falsch ist. Es geht um Grenzbelastungstests. Und dazu
>muss ich den Maximalstrom der AN-Zeit verändern.

Dann nimm doch ein paar scheiß Relais und Hochlastwiderstände.
So haben wir das früher immer gemacht.

Autor: Di Pi (drpepper) Benutzerseite
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dummy wrote:
>>Sag mir nicht was falsch ist. Es geht um Grenzbelastungstests. Und dazu
>>muss ich den Maximalstrom der AN-Zeit verändern.
>
> Dann nimm doch ein paar scheiß Relais und Hochlastwiderstände.
> So haben wir das früher immer gemacht.

Geht doch :) Danke!

Auch die P-FET Idee :)

Autor: Sachich Nich (dude) Benutzerseite
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Ich würde einen Fet im Linearbetrieb nutzen, dann kannst du den 
Maximalstrom stufenlos einstellen...

Autor: dummy (Gast)
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>Ich würde einen Fet im Linearbetrieb nutzen, dann kannst du den
>Maximalstrom stufenlos einstellen...

Warum einfach wenn es auch kompliziert geht ;)

Autor: Di Pi (drpepper) Benutzerseite
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... ... wrote:
> Ich würde einen Fet im Linearbetrieb nutzen, dann kannst du den
> Maximalstrom stufenlos einstellen...

Interessante Idee. Mal sehen wie ich die Spannung für das Gate erzeugen 
kann...

Autor: spess53 (Gast)
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Hi

>>Ich würde einen Fet im Linearbetrieb nutzen, dann kannst du den
>>Maximalstrom stufenlos einstellen...

>Warum einfach wenn es auch kompliziert geht ;)

Nun ja. Wenn mann nicht mal von selbst auf schaltbare Widerstände kommt.

MfG Spess

Autor: Di Pi (drpepper) Benutzerseite
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spess53 wrote:
>
> Nun ja. Wenn mann nicht mal von selbst auf schaltbare Widerstände kommt.
>
> MfG Spess

Meine Gedanken liefen eher in Richtung stufenlos. Mit begrenztem Bauraum 
ist das mit den Widerständen bei der Leistung auch nicht so einfach.

Autor: Sachich Nich (dude) Benutzerseite
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Ignorieren, einfach ignorieren ;)

Autor: Di Pi (drpepper) Benutzerseite
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hast wahrscheinlich recht :D

Autor: hallo_spencer (Gast)
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Ich bin bei genau der selben aufgabe dran. Ich will auch eine 
hochleistungs LED mit bis zu 2,5A betreiben aber nur für 1 ms und dann 
ca. 1s Pause. Bisher habe ich den MosFet direkt mit den 
Funktionsgenerator betrieben. Da kann ich ja die Ausgangsspannung 
einstellen und somit auch den maximalen Strom der durch den Fet fließt. 
Funktioniert super. Ich kann von 7 bis 40V Betriebsspannung draufgeben 
und es fließt hat der eingestellte Strom.
Jetzt will ich eine Treiberschaltung für den Mos entwerfen wo ich die 
Spannung einstellen kann aber die nicht Lastabhängig ist da ja das Gate 
beim schnellen schalten ja kurzzeitig ein höheren Strom zieht. Da die 
LED rechteckförmig aufblitzen soll, muss die Treiberstufe Lastunabhängig 
sein damit die Gastespannung beim einschalten nicht kurz zusammen 
bricht.
Hat jemand eine Idee zur Schaltung?

Autor: hallo_spencer (Gast)
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Ich habe selber was hinbekommen. Einfach eine klassische Strombegrenzung 
eingebaut. Zwischen Drain und Masse ein 0,1 Ohm Widerstand rein. Dann 
ein NPN Transistor mit der Basis an Drain des MOS Fet, der Emitter an 
Masse und Collektor an das Gate des Mosfets. Jetzt regelt dier NPN 
Transistor bei ca. 7 Ampere ab.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Was haltet Ihr denn davon die ganze Sache mit 2(!) PWMs zu machen - 
unter der Mithilfe einer Drossel (*ACHTUNG*: Schaltnetzteilkenntnisse 
sind hier willkommen)!?!

Eine hochfrequente PWM generiert das nötige Signal für die Bestromung 
der High-Power-LED. Da der Strom bei konstanter Eingangsspannung linear 
ansteigt, kann man z.B. genau definiert beim Überschreiten eines 
Maximalwertes das PWM-Signal wieder abschalten und beim Unterschreiten 
eines Minimalwertes wieder einschalten. Mittels Komparatoren eingentlich 
nichts unmögliches. Und die Ein-/Ausschaltschwellen lassen sich wenn 
nötig auch noch genau programmieren.

Die andere niederfrequente PWM übernimmt die 'Dimmung', oder besser 
gesagt Abschaltung der hochfrequenten PWM, mit einer Frequenz von über 
100 Hertz, damit wir kein Flimmern mehr erkennen können.

Mit dieser Methode kann man Wirkungsgrade von über 95% erzielen! Läuft 
bei mir übrigens ganz hervorragend. Anregungen solltet Ihr Euch dazu 
evtl. mal bei www.led-treiber.de (und dann unter "LEDs Treiber" und dann 
"getaktete Treiber") holen. Oder schaut Euch mal das hier an: 
http://audio.peufeu.com/node/66.
Ich habe bereits einiges davon nachgebaut - allerdings fast immer 
modifizierte Versionen, die entweder das letzte Milliwatt rausquetschen 
oder an andere Gegebenheiten angepaßt werden mußten - und es funzt ganz 
wunderbar.

Für meine Osram OSTARs habe ich mir noch vorgenommen sie als Stroboskop 
und Fluter zu ge- bzw. misbrauchen, mit der Möglichkeit sie komplett 
digital mit einem ATmega anzusteuern, der, wenn alles reinpaßt und vom 
Timing her noch Luft hat, via DMX-512-Interface ansprechbar sein soll.
Dabei sind die absoluten Grenzwerte unter allen Bedingungen einzuhalten, 
d.h. das Degrading mit erhöhten Chip-Temperaturen, etc. ist zu 
berücksichtigen. Insbesondere ist der max. zul. Strom unter keinen 
Umständen zu überschreiten, denn dann brennt möglicherweise der 
Bonding-Draht durch (ist mir bereits einmal passiert - aber das ist 'ne 
andere Story).

Autor: hallo_spencer (Gast)
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Hm ich finde es ist zu kompliziert.
Mit PWM gehr das nicht so einfach da die LEDs als eine art Blitz für 
eine sehr empfindliche Kamera dient. Es muss ein definierter 1ms Blitz 
sein. Der Blitz soll konstant hell sein also ein Rechteck. Mit der 
klassischen Strombegrenzung habe ich es hinbekommen jedoch könnten die 
jeweiligen Flanken steiler sein. Ich musste jedoch 470 Ohm vor das Gate 
schalten da sonst die MosFet anfing zu schwingen. Mit einem 
Vorwiderstand am Gate ist das schwingen fast weg jedoch ist die 
Flankensteilheit nicht mehr so schön steil.
Hat jemand eine Idee wieso der Mosfet anfängt zu schwingen wenn ich das 
Gate niederohmig ansteuere?

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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@ hallo_spencer:

a) PWM ist nicht wirklich kompliziert!

b) definierte 1ms-'Blitze' mit PWM (hiermit ist die induktive 
Schaltregler-PWM gemeint, die einen konstanten Strom durch die LED 
treibt) sind ebenfalls kein Problem, da das Ein/Aus der LED unabhängig 
von der PWM gesteuert werden kann.

c) Die Belichtung eines Films ist ein integraler Vorgang, d.h. eine 
Belichtung muß nicht zwingend durch eine absolut konstante Beleuchtung 
erfolgen. Auch ein übliches Blitzgerät liefert keinen konstanten 
'Lichtstrom' über die Zeit. Warum sollte also eine Hochleistungs-LED das 
unbedingt 'konstant' machen? Es gibt keine zwingende Notwendigkeit 
dafür!

d) Ein Schwingen ist üblicherweise auf parasitäre 
Kapazitäten/Induktivitäten zurückzuführen. Diese bilden (u.a. in 
Verbindung mit der Gate-Kapazität) auf die eine oder andere Weise einen 
Reihen- bzw. Parallelschwingkreis. Je größer der Gate-Widerstand, umso 
stärker wird dieser Schwingkreis bedämpft (d.h. seine 'Güte' sinkt). Da 
das Anregungs- bzw. Schaltsignal ein Rechteck darstellt und damit nach 
Fourier sämtliche Oberwellen enthält, wird hierdurch die Oszillation auf 
der Resonanzfrequenz des Schwingkreises mehr oder weniger stark 
angeregt.
100%-ig läßt es sich nicht eliminieren, jedoch auf ein erträgliches Maß 
reduzieren, indem der Aufbau - z.B. das Layout - optimal erfolgt.
Ganz allgemein gesagt zählen zu solchen Maßnahmen u.a. kurze 
Leiterbahnführungen (insbesondere dort, wo die geschalteten Ströme 
fließen), optimale GND- und Versorgungspannungslayer, qualitativ gute 
Abblockkondensatoren/-ELKOs (Low-ESR-Typen) in unmittelbarer Nähe der 
Punkte wo Ströme geschaltet werden, usw., usw., usw.
Poste doch mal Dein Platinen-Layout und/oder (vollständigen(!)) 
Schaltplan (d.h. bitte den Schaltplan, der auch die Abblockkondensatoren 
beinhaltet - evtl. mit den Kommentaren, wo sie plaziert werden sollten, 
falls dies noch nicht aus dem Plan ersichtlich ist).

Autor: hallo_spencer (Gast)
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@ Raimund Rabe

hier habe ich mal den Schaltplan beigefügt.
Das problem was ich jetzt habe ist, sobald die Strombegrenzung aktiv 
wird, die Motfet nicht mehr ausgeschaltet werde wenn der 1ms Impuls 
zuende ist. Der Mosfet bleibt dann mit ca. 7A Begrenzung eingeschaltet. 
Mache ich ein Kurzschluss dann wird nicht mehr begrenzt der Mosfet geht 
nach sehr kurzer Zeit ca. 1-2 Sec. kaputt.

Die Last schließe ich an der Lemobuchse parallel der Diode an.
Der Triggerimpuls ist hierbei invertiert d.h. ich muss ein Impuls von 
999ms anlegen und 1ms ausschaltet aber das istr absicht so es kommt noch 
ein Optokoppler vor der dieses wieder invertiert.

Es sind hierbei 3 Schaltungen auf einer Platine aufgebaut weil ich ein 
LED Scheiwerfer (LED-Array) ansteuern will. Pro Kanal: 5 LEDs in Reihe 
deswegen 48V und von diesen Reihenschaltungen 3 Parallel damit jeder 
Strang mehr als 2A bekommt. Von dieser gesamten Schaltung wie gesagt 3 
auf einer Platine und es werden insgesammt 5 Platinen erstellt.
Die 6800 uF Kondensatoren sond zur pufferung damit ein 5A Netzteil 
ausreicht.

Autor: hallo_spencer (Gast)
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RX und RP habe ich nicht bestückt ich wollte ohne diese Widerstände 
auskommen. Auf ein Stckbrett hatte diese Schaltung einwandfrei 
funktioniert. Jetzt auf Platine wie gesagt schatet der Mos Fet nicht 
mehr aus wenn die Strombegrezung aktiv wird. Bei kleinern Stömen kleiner 
7A kommen schöne 1ms Impulse heraus.

Autor: hallo_spencer (Gast)
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So fehler gefunden.

Ich habe sie den Eingang wie gesagt mit ein Optokoppler und auch mit ein 
3,3K Widerstand auf 12V angesteuert. Genauso wie der erste teil des 
Treibers. Nun diese 3,3K am Optokoppler waren zu groß um 3 Treiberstufen 
anzusteuern. Hätte ich niemals gedacht aber ist so. Erst nachdem ich auf 
1K beim Optokoppler runtergegangen bin lief es. Ich habe jetzt für den 
ersten Transistor in der Treiberstuft (BC546) einen Darlington BD517 
genommen. Mit dieser hohen Stromverstärkung kann ich auch locker 16 
solcher Stufen dann mit ein Optokoppler ansteuern.

Ich hätte niemals gedacht das zum treiben einer dieser Stufen so ca. 5 
bis 10mA nötig sind. Es wird doch eigendlich nur die Basis des BC546 
angesteuert der die Spannung vom 3,3K Widerstand auf masse zieht um 
somit dann letztendlich den MOSFET sperren lässt. Ich habe angenommen 
das dazu nur 0,5mA nötig wären.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Sorry, daß ich mich erst jetzt wieder melde, aber ich war über 
Hainachten/Neujahr im Urlaub.

Warum die Schaltung auf dem Steckbrett zunächst funzte und nachher auf 
der Platine nicht, ist mir ein Rätsel. Möglicherweise sind ein 
schlechtes Platinenlayout und damit Schwingneigung das Problem. 
Zumindest was das Problem mit dem nicht wieder ausschalten betrifft.

Mit den 0,1-Ohm-Widerständen (R4) sollte, ohne Rp und Rx, die 
Strombegrenzung ja schon bei etwa 0,7A einsetzen. Hat es denn damit 
gefunzt?

Selbst bei 'nur' 0,7A und 48V werden im MOSFET im LED-Kurzschlußfall 
immerhin rund 33W in Wärme umgesetzt. Dies allein fordert schon eine 
gute Kühlung für jeden einzelnen MOSFET. Bei gar 7A dürfte es die SOA 
(Safe Operating Area) des MOSFETs verlassen, denn es würde eine 
Verlustleistung von mehr als 300W je MOSFET in Wärme umgesetzt werden. 
Das ist bereits weit außerhalb seiner Spezifikation (je nach Hersteller 
ist 85W...120W) angegeben. Kein Wunder also, daß er schon nach wenigen 
Sekunden im wahrsten Sinne des Wortes durchbrennt.

Ein Schaltregler würde hier Wunder wirken, denn er reduziert die 
Verlustleistung dieser 'analogen' Konstantstromquelle erheblich.
Schau doch mal bei www.led-treiber.de vorbei um mal ein kleines Beispiel 
zu sehen, wie man so etwas machen kann. Klicke dazu links auf "LEDs 
Treiber" und dann auf "getaktete Treiber" und schau Dir mal hier die 
Schaltungen an. Vielleicht kannst Du ja die eine oder andere einsetzen, 
modifizieren, oder zumindest eine Idee erhalten wie man so etwas ggf. 
weniger Verlustleistungsbehaftet in den Griff bekommen kann. :-)

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