PWM-Treiber mit Ground PWM-Signal (RGB, gemeinsame Anode)

[Paul M. (Gast)]

Hallo Zusammen,

habe vor, einen 1 Meter langen LED-RGB Streifen mittels PWM-Signal 
anzusteuern, welches von einem uC erzeugt wird.

Stehe nun vor folgender Problemstellung:

Der LED-RGB-Streifen hat eine gemeinsame Anode (+12V), sprich ich muss 
GND an die einzelnen R-,G-,B-Streifen anlegen. Benötige also ein ein 
Ground-PWM Signal.

Nach dreistündiger Recherche im Inet bin ich auf einige LED-Treiber ICs 
mit PWM-Steuereingang gestoßen. Der Ausgang ist jedoch leider immer ein 
positives PWM-Signal (z.B. +12V). Gibt es ICs, die PWM-gesteuertes 
GND-Signal auf den Ausgang durchschalten? (gewünscht: 12V 
1A....idealerweise als Stromquelle)

Könnte ich nicht alternativ eine invertierende Verstärkerschaltung als 
Leistungsteil verwenden?
Kennt jmd dazu Schaltpläne für 12V 1A, PWM-fähig?

Da ich das Ganze insgesamt 3x (für jede Farbe) benötige, gibts denn da 
schon kombinierte ICs?

Viele Grüße

Paul

[Frederik K. (n0ll4k)]

Warum einen IC, geht doch mit Transistor/MOSFET und passenden 
Widerständen genauso gut.

Ist dann nur die Frage was deine LEDs so an Strom brauchen etc.

[Vlad T. (vlad_tepesch)]

wo ist das problem?
die PWM, die schaltet doch nur wischen Lo und Hi.
dann leuchtet bei dir die LEDs ebend bei Lo anstatt bei Hi.
musst hatlt den PWM wert invertieren
Als treiber kannst du einzeltransitoren, oder nen UDN298x oder ULN2003 
nehmen (vergess immer welcher für welche richtung gut ist).
die sind bei reichelt zu cent-preisen zu bekommen.

[Paul M. (Gast)]

Vielen Dank für die Antworten und Ratschläge.

Bin noch eher Neuling auf dem Gebiet und habe bislang nur theoretische 
Kenntnisse im Fach "Schaltungstechnik" aus meinem Studium.
Habe festgestellt, dass ich ursprünglich eine falsche Vorstellung von 
meiner Schaltung hatte.
Bräuchte bitte noch Hilfe bei der Entwicklung meiner Schaltung.

Wenn ich das jetzt richtig verstehe, dann könnte ich das doch durch eine 
herkömmliche Emitterschaltung nach folgendem Prinzip realisieren:

 Uq+ ---------- >|---------- Transistor C-E ----------- Uq-
+12V          Diode         Kollektor-Emitter           GND

und das Ganze 3 mal, wobei Uq und die Anode der Dioden gemeinsam bleibt.

Da über C-E vom Transistor auch noch eine Spannung abfällt und 
wahrscheinlich zum Schutz des Transistors noch zwischen Emitter und GND 
ein Widerstand benötigt wird...dimensioniere ich meine Spannungsquelle 
auf z.B. 14V (muss ich noch genau berechnen).
Jeder Transistor soll dann 1A schalten können....muss ich hier auf 
Schaltgeschwindigkeiten achten? (gibt es Transistoren die zu träge für 
PWM sind?)

Oder eine MOSFET-Lösung?
Was haltet ihr von einem BUZ11? Ist etwas überdimensioniert, aber dafür 
kann ich ihn wahrscheinlich ohne zusätzlichen Kühlkörper betreiben.
Wenn ich diesen dann in einer Source-Schaltung, wie im Anhang, betreibe?
Diese Schaltung stammt aus dem Datenblatt, im Leistungskreis ist hier 
nur der Lastwiderstand R_L eingezeichnet...., sprich ich ersetze diesen 
durch meine LED-Stripes und die Schaltung ist fertig? (Keine weiteren 
Schutz-Widerstände?)
Doch wie groß wird jetzt R_G?
V_GS ist mit typ. 3V angegeben, bei V_GS = V_DS und I_D = 1mA. Meine 
LEDs benötigen aber genau 600mA, also I_D=600mA. Demnach komme ich laut 
Datenblatt auf V_GS=3,3V. Jetzt müssen doch 1,7V an R_G abfallen, doch 
bei welchem Strom?


Der UDN2987 wäre auch eine interessante Lösung, doch leider zu schwach 
(I_OUTmax = 500mA). Hätte allerdings noch eine Frage dazu.
Beim Anlegen von 5V am Eingang, schaltet der Ausgang auf GND, doch 
welchen Pegel führt der Ausgang wenn Eingang auf low? .....V_s?

Leider etwas viel Fragen auf einmal, bitte um Verständnis, da ich leider 
noch nicht so viel Erfahrung in dieser Thematik habe und mit meinem 
Projekt bald zum Ziel kommen möchte.

Nochmals besten Dank für die bisherigen freundlichen Antworten.

Gruß

Paul

[Michael (Gast)]

Mhh, kure Frage: Weißt Du was ein MOSFET ist?

Wenn nein, dann mach dich erstmal schlau darüber. z.B. 
http://de.wikipedia.org/wiki/Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor 
oder in deinen Vorlesungsunterlagen. Super ist auch der Tietze Schenk 
"Halbleiterschaltungstechnik".

Ein Mosfet ist vereinfacht gesagt ein Halbleiterschalter der Stromlos 
angesteuert werden kann. Daher fließt im statischen Zustand kein Strom 
in das Gate - ergo kein Spannungsabfall. Das Gate wirkt wie eine 
Kapazität und benötigt Strom, wenn man mit einer hohen Frequenz zyklisch 
den MOSFET an- und ausschaltet. Durch den Gatewiderstand kann man zu 
einer festen Schaltfrequenz die Stromanstiegsgeschwindigket auf der 
Drain-Source-Strecke einstellen (Gatestrom begrenzen).

Der BUZ11 wird es wohl ohne Probleme machen. Wichtig ist jedoch, dass 
die Schwellenspannung zu deiner Gatespannung passt. Mit einem 3,3V 
uController wird es jedoch etwas zu knapp werden. Im Datenblatt vom 
BUZ11 (bitte mal runterladen und ansehen - da kann man einiges lernen) 
sind Kurvenscharen abgebildet: Id über Uds mit Parameter Ugs. Da kannst 
Du ablesen welchen Spannungsabfall und Verlustleistung dein MOSFET macht 
bei einer bestimmten Gatespannung. Bei Intersil fangen die Kurven erst 
ab 4V an, dadrunter leitet er wohl noch nicht richtig.

Ansonsten sind 600mA nicht soviel, dass Du nicht auch einen Transistor 
nehmen könntest.
Den ULN2003 kannst Du ja auch zwei Transistorausgänge über je einen 
Widerstand (Stromaufteilung garantiert) parallelschalten.

[Paul M. (Gast)]

Hallo Michael,

danke für deine schnelle Antwort.

Was ein MOSFET ist, das weiß ich jetzt wieder =)....da kommen so waage 
Erinnerungen auf.....Tietze/Schenk hat mir auch noch gut weitergeholfen.
Habe leider bislang nur auf dem Collegeblock mit MOSFETs experimentiert 
;-)

Hab mir auch schon zuvor das Datenblatt des BUZ11 bei Reichelt 
runtergeladen. (So bin ich auch auf die falsche U_GS=3,3V-Spannung 
gekommen).
Wenn ich das richtig sehe, dann ist das doch noch einfacher als ich 
ursprünglich dachte, da ich ja den R_G nicht brauche, bzw. da er ja 
Bestandteil meiner 5V-Signalspannungsquelle (uC) ist und wie schnell der 
BUZ schalten soll steuere ich ja über PWM. (Die 
Stromanstiegsgeschwindigkeit ist hier doch eher unwichtig?)
Nach der von dir genannten Kennlinie (Id über Uds mit Parameter Ugs) 
fallen dann bei Id=600mA und Ugs=5V ca.  0.1...0.2V Uds am BUZ ab, die 
ich genau genommen noch bei meiner 12V-Versorgungsspannung 
berücksichtigen muss. Ist es sinnvoll zur Linearisierung meiner 
LED-Kennlinie einen weiteren Widerstand in Reihe zu schalten? bzw. 
genügt es, nur die LEDs anstatt den Lastwiderstand zu verwenden.
Oder lieber gleich mit Stromquelle?

Kannst du mir alternativ einen Transistor dafür empfehlen?

> Den ULN2003 kannst Du ja auch zwei Transistorausgänge über je einen
> Widerstand (Stromaufteilung garantiert) parallelschalten.

Wie meinst du das? Out1 und Out2 über R verbunden, und dann von Out1 
meinen 600mA LED-Strang? Wie dimensioniere ich dann den Widerstand und 
für welche Leistung? Habe mir schon das Datenblatt besorgt....doch ohne 
Ziel.

Gruß

Paul

[Paul M. (Gast)]

Habe mir mal einen BUZ11 besorgt...und meine Schaltung mit 5V 
Signalspannung und nur mit dem LED-Streifen im Lastkreis ausprobiert.
Funktioniert. =)

Nachdem ich jedoch nochmals im Tietze/Schenk nachgelesen habe, musste 
ich feststellen, dass ich das Prinzip der Sourceschaltung noch nicht 
ganz verstehe. Bitte daher um Hilfe. (Sourceschaltung siehe Anhang)

Bei meiner bisherigen Schaltung habe ich R_D mit meiner Last (LEDs) 
ersetzt.
Hat auch soweit funktioniert.
Bei der Schaltung im Anhang ist doch U_a der Ausgang, sprich hier wird 
meine Last angeschlossen? Wofür ist denn dann R_D?
R_S dient zu Linearisierung der Kennlinie wegen der 
Temperaturabhängigkeit.
Meine LEDs brauchen 12V, heißt das, dass dann über die Spannung über R_S 
+ U_DS 12V ergeben muss?
Bedeutet das dann, dass ich über das Spannungsteilerverhältnis (r_ds + 
R_s) zu R_d, meine Spannung für den an U_a angeschlossenen Verbraucher 
steuere?


Kennst sich jmd mit der weiter oben genannten Parallelschaltung vom 
ULN2003 aus?

Gruß

[Vlad T. (vlad_tepesch)]

das mit dem widerstand würd mich auch interessieren.

Ich hätte einfach jeweils 2 input und 2 output pins verbunden.

[Falk B. (falk)]

@  Paul M. (Gast)

>Bei meiner bisherigen Schaltung habe ich R_D mit meiner Last (LEDs)
>ersetzt.

OK.

>Bei der Schaltung im Anhang ist doch U_a der Ausgang, sprich hier wird
>meine Last angeschlossen?

Jain. Die Schaltung ist eher allgemein gehalten und im Linearbetrieb 
gedacht. Dort kommt dann das Ausgangssignal als U_a raus. Ist aber nur 
was für leistungsareme Signalverarbeitung, nix für Leistungsstufen.

> Wofür ist denn dann R_D?

Der Arbeitswiderstand. Siehe oben.

>R_S dient zu Linearisierung der Kennlinie wegen der
>Temperaturabhängigkeit.

Im Linearbetrieb. Im Schaltbetrieb fällt der weg.

>Meine LEDs brauchen 12V, heißt das, dass dann über die Spannung über R_S
>+ U_DS 12V ergeben muss?

Nööö. Über R_s und dem MOSFET dürfen in Summe nicht mehr Volt abfallen, 
wie die Versorgungsspannung -12V hergibt.

>Bedeutet das dann, dass ich über das Spannungsteilerverhältnis (r_ds +
>R_s) zu R_d, meine Spannung für den an U_a angeschlossenen Verbraucher
>steuere?

Im Linearbetrieb ja. Bei PWM mit Schaltbetrieb nein.

>Kennst sich jmd mit der weiter oben genannten Parallelschaltung vom
>ULN2003 aus?

Einfach zwei Ausgänge direkt parallel schalten, das sind 
Open-Drain-Ausgänge. Siehe Ausgangsstufen Logik-ICs.

MFG
Falk

[Paul M. (Gast)]

Danke für die schnelle Antwort,

hast mir sehr weitergeholfen.

Michael wrote:
> Den ULN2003 kannst Du ja auch zwei Transistorausgänge über je einen
> Widerstand (Stromaufteilung garantiert) parallelschalten.

Zwei Ausgänge direkt parallel schalten, also beide Input und Output-Pins 
je miteinander verbinden. Doch wo kommt der Widerstand hin?

Habe insgesamt 3m RGB-LED Streifen, brauche also für einen Meter 3 FETs.
Insgesamt sind das 9.

Dürfte doch eigentliuch keine Probleme machen, wenn ich's wie im Anhang 
aufbaue? (eine LED entspricht immer einer Farbe des LED-Streifens mit 30 
LEDs = 600mA)

Nochmals Danke für Deine Bemühungen.
Gruß
Paul

[Falk B. (falk)]

@Paul M. (Gast)

>je miteinander verbinden. Doch wo kommt der Widerstand hin?

In Reihe zur LED.

>Dürfte doch eigentliuch keine Probleme machen, wenn ich's wie im Anhang
>aufbaue?

Vorwiderstände fehlen. Und über Bildformate solltest du dich auch 
mal informieren.

MfG
Falk

[Paul M. (Gast)]

alles klar....die nächsten Schaltpläne werden *.PNG's =)

Stimmt die Widerstände fehlen.....sind aber schon Bestandteil meines 
flexiben LED-Bandes.

Dachte der Widerstand hat was mit der Parallelschaltung der 
ULN*-Ausgänge zu tun. So ist er ja lediglich ein Vorwiderstand.

Aber werde wohl erst mal die BUZ11-Lösung vorziehen und mich an die 
Reichelt-Bestellung machen =).

Ich setz mal Bilder rein, wenn's fertig ist.

Danke für die Hilfe.

Gruß
Paul

[Falk B. (falk)]

@  Paul M. (Gast)

>Aber werde wohl erst mal die BUZ11-Lösung vorziehen und mich an die
>Reichelt-Bestellung machen =).

BUZ11? Das ist nun wirklich ein Oldie. Nimm was von Ratiopharm, ähhhh, 
IRF. Z.B. IRF7103, dort sind sogar zwei MOSTETs drin.
Siehe auch Mosfet-Übersicht.

MFG
Falk

[Paul M. (Gast)]

Habe mir gerade das Datenblatt des IRF7103 besorgt.

Danke, ist auf jeden Fall die bessere Lösung....und noch dazu günstiger.

Habe ihn bislang nur in SO-8-Ausführung gefunden....ist das SMD? Oder 
gibts den auch mit "richtigen Beinchen" =)?

Nur aus Interesse, kann man den denn eigentlich auch brücken, damit ich 
auf I_D=6A käme? Also Parallelschalten durch verbinden von 
Source_1-Source_2, Gate_1-Gate_2, Drain_1-Drain_2?

Gruß

[Michael (Gast)]

Bei Transistoren (auch Mehrfach Opendrains z.B. ULN 2xxx) kann man die 
Ausgänge nicht "einfach" parallel schalten.
Grund: Transistoren haben einen negativen Temperaturkoeffizienten - sie 
leiten besser (kleinere Uce Spannung) bei steigender Temperatur.
Da man fast nie zwei Transistoren mit genau den selben Eigenschaften 
bekommt würde bei einer harten Parallelschaltung schon im ersten Moment 
eine ungleichmäßige Stromaufteilung passieren. Im Betrieb würde sich 
durch die ungleichmäßige Stromaufteilung die beiden Transistoren 
ungleichmäßig erwärmen. Der wärmere der beiden Komponenten leitet den 
Strom besser, dadurch steigt die Verlustleistung und er wird noch 
wärmer. In der Literatur nennt sich das "thermal runaway". Bei zwei 
Bauteilen und einem Strom nur unwesentlich größer als einer ihn tragen 
kann ist der Effekt nicht dramatisch. Bei beispielsweise 100 
Transistoren mit 90 fachen Strom eines einzelnen Transistors wird es 
vermutlich ohne besondere Maßnahmen sehr schnell knallen.

Normalerweise begegnet man diesem Effekt, indem jeder Transistor im 
Emitterzweig einen eigenen Widerstand erhält und sich selbst dadurch 
eine lokale Rückkopplung erzeugt (z.B. bei HiFi Verstärkern mit linearen 
Transistoren).
Beim ULNxxx geht dies nicht, da alle Emitter über GND gekoppelt sind. 
Daher ist meine Empfehlung zur besseren Stromaufteilung je einen kleinen 
Widerstand in den Kollektorpfad zu setzen.

MOSFETS dagegen haben einen positiven Temperaturkoeffizienten und sind 
bei parallelschaltungen bzgl. der Stromaufteilung unkritisch.

Wenn Du daran denkst die beiden MOSFETs im IRF7103 dann kann ich dir den 
IRLR3105 empfehlen. Habe ich in einem Projekt mit 9A, 28V und einem 5V 
Atmel angesteuert. Selbst einen Kurzschluss gepuffert aus meinem 
Netzteil (Spitzenstrom >50A) hat den nicht kaputt bekommen. Die 
Grundfläche ist nur unwesentlich viel größer als ein SO8 Gehäuse (DPAK).

[Falk B. (falk)]

@  Paul M. (Gast)

>Habe ihn bislang nur in SO-8-Ausführung gefunden....ist das SMD?

Ja.

> Oder
>gibts den auch mit "richtigen Beinchen" =)?

Nein.

>Nur aus Interesse, kann man den denn eigentlich auch brücken, damit ich
>auf I_D=6A käme?

Ja.

> Also Parallelschalten durch verbinden von
>Source_1-Source_2, Gate_1-Gate_2, Drain_1-Drain_2?

Ja.

MfG
Falk

[Falk B. (falk)]

@  Michael (Gast)

>Bei Transistoren (auch Mehrfach Opendrains z.B. ULN 2xxx) kann man die
>Ausgänge nicht "einfach" parallel schalten.

Doch.

>Grund: Transistoren haben einen negativen Temperaturkoeffizienten - sie
>leiten besser (kleinere Uce Spannung) bei steigender Temperatur.

Ja, aber . . .

>Da man fast nie zwei Transistoren mit genau den selben Eigenschaften
>bekommt würde bei einer harten Parallelschaltung schon im ersten Moment
>eine ungleichmäßige Stromaufteilung passieren. Im Betrieb würde sich
>durch die ungleichmäßige Stromaufteilung die beiden Transistoren
>ungleichmäßig erwärmen.

Bei diskreten Transistoren ja. Beim ULN nein, denn die sitzen nur 
Bruchteile von mm auseinander auf dem gleichen IC. Damit sind sie 
thermisch gut gekoppelt und damit ist der Effekt fast nicht mehr da.

>Daher ist meine Empfehlung zur besseren Stromaufteilung je einen kleinen
>Widerstand in den Kollektorpfad zu setzen.

Was mal Unsinn ist, weil es dadruch KEINERLEI Gegenkopplung gibt. 
Entweder im Emitter oder gar nicht.

>MOSFETS dagegen haben einen positiven Temperaturkoeffizienten und sind
>bei parallelschaltungen bzgl. der Stromaufteilung unkritisch.

Was auch falsch ist, siehe die letzten Threads.

Beitrag "Transistor + Kühlung für elektronische Last (ca. 80.150 Watt)"

Das gilt nur im Schaltbetrieb. Im Linearbetrieb sind Parallelschaltungen 
von MOSFETs sogart kritischer!

MfG
Falk

[Michael (Gast)]

@ Falk

Ich dachte hier geht es um den Schaltbetrieb!
Dabei nimmt der Rds,ON mit der Temperatur zu.
(Im Linearbetrieb ist die Drain-Source Strecke garnicht gesättigt - hier 
dominiert die Variation der Schwellenspannung mit der Temperatur.)

Eine Gegenkopplung kann natürlich nicht durch die Kollektorwiderstände 
erreicht werden.
ABER: Wenn man die zwei Transistorstrecken im leitenden Fall als zwei 
Spannungssenken (mit vorgeschalteter idealer Diode) und R => 0 Ohm 
modelliert und parallel schaltet, bekommt derjenige Transistor den 
vollen Strom ab, der den niedrigeren Uce hat. Von Stromaufteilung kann 
keine Rede sein! Mit einem Kollektorwiderstand würde zwar durch den 
Transistor mit niedrigerem Uce ein größerer Strom fließen, aber es 
findet eine Aufteilung statt!

Beispiel:
Uce,1 = 0,5V
Uce,2 = 0,4V
Igesamt = 1A

Kein Kollektor Vorwiderstand:
Rk,1 = Rk,2 = 0R
=> I1 = 0A, I2 = 1A

Mit Kollektor Vorwiderstand:
Rk,1 = Rk,2 = 1R
=> I1 = 0,45A  I2 = 0,55A

Also kein Quatsch :)