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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik RGB-LED-Lichterkette. Niedervolt oder 230V?


Autor: Robert R. (pforcht)
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Hallo liebe Mikrocontroller-Forum Mitglieder,

nachdem mir euer Forum schon in einigen Dingen super geholfen hat,
hab ich nun selbst ein Anliegen:

Ich möchte mir eine Lichterkette mit RGB-LEDs basteln.
Es sollen 3 unabhängige Stränge mit je 50 RGB-LEDs ansteuerbar sein.

Die Helligkeit der insgesamt 9 Bits (3 Stränge, je 3 Farben) wird über 
eine 200Hz PWM mit 255 Helligkeitsabstufungen gesteuert.

Die Software ist kein Problem, die Animationen auch nicht.

Allerdings stehe ich vor der Frage, wie ich die LEDs anschließe?

>An gleichgerichtete 230V Netzspannung
+niedriger Stromfluss durch Zuleitungen
+kein Trafo für LEDs
-Gefahren von 230V
-aufwändigere Ansteuerung eines FETs für solche Spannungen mit Logic
?oder reicht ein normaler Logic-FET, wegen LED-Spannungsabfall?
?galvanische Trennung mit Optokoppler sinnvoll?

>Alle gleichfarbigen LEDs eines Strangs mit jeweils eigenem Vorwiderstand 
parallelschalten
+günstigere LEDs mit gemeinsamer Kathode
+ungefährlich
-extrakosten für 450 Widerstände
-großer Stromfluss durch Zuleitung (1A/Strangfarbe)
-kräftigerer Trafo notwendig - Effizienz?


Ich habe eine Exemplarische Schaltung für den ersten Fall (230V) mit und 
ohne Galvanischer Trennung hochgeladen.
Ist so eine Trennung sinnvoll, oder nur gut fürs Gewissen?

Anmerkungen:
-Ist mein erster Eagle Schaltplan, wusste nicht wie man Netzspannung 
einbindet. Daher 2 Mal VCC.
-Bei der Schaltung mit dem Optokoppler sind die Massen (Logik und LEDs) 
natürlich nicht miteinander verbunden. Auch dazu keine Idee wie in Eagle 
realisieren.
-Die LED steht exemplarisch für einen Farbstrang
-Die Freiliegenden Pins haben jeweils die gleiche Folgeschaltung wie das 
das eine Beispiel.

Autor: Packover (Gast)
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Was hälst von der Oberleitung einer Straßenbahn?

scnr ;-)

Autor: JohannesH (Gast)
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Hi
Bist du schon weiter mit deinem Projekt??
Ich bin nämlich auch am überlegen mir ein RGB-Lichternetz zu bauen - 
allerdings mit 100 - 300 RGB LEDs.
Das bringt natürlich noch größere Probleme bei der Stromstärke mit 
sich...

Deswegen hätte ich da ein paar Fragen:
Wenn ich die LEDs in Reihe schalte, wieviel Spannung fällt dann pro LED 
ab?
Sind das genau die z.B. 3,3V (Rot, laut Datenblatt) oder weniger/mehr??

Wenn ich immer 3 LEDs in Reihe schalte komme ich mit 3*3,3V auf 9,9V 
wenn ich die z.B. an ein 12V Netzteil mit einem passenden Vorwiderstand 
anschließe, leuchten dann alle 3 gleich hell?

Für die Notwendige Stromstärke:
Eine LED hat als R=U/I=3,3V/20mA=165 Ohm
-> 3 in Reihe: 3*165Ohm= 495 Ohm
100 3er Packs Parallel: 4,95 Ohm

Daraus erhalte ich für die Stromstärke I=U/R= 9,9V/4,95 Ohm = 2A(Pro 
Farbe)

Stimmt meine Rechnung???

Und noch eine ganz wichtige Frage:
Wenn ich die LEDs möglichst einfach mit den PWM Ausgängen eines AVRs 
ansteuern will - welche RGB-LEDs nehm ich dann am besten?

RGB-LEDs mit gemeinsamer Kathode, oder RGB-LEDs mit gemeinsamer Anode???

In einem Ebay shop wurde ein günstiger 100er Pack RGB-Leds mit 
"gemeinsamer-Masse" beworben - für was steht das??


Tut mir leid für die vielen, wahrscheinlich dummen Fragen!
Aber ich hab schon viele Foreneinträge durchforstet und bin nur bedingt 
schlauer geworden dadurch...

Vielen Dank schon mal im voraus für eure Antworten!

Autor: Thomas R. (tinman) Benutzerseite
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oh man

Autor: MaWin (Gast)
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> Wenn ich die LEDs in Reihe schalte, wieviel Spannung fällt
> dann pro LED ab? Sind das genau die z.B. 3,3V (Rot, laut
> Datenblatt) oder weniger/mehr??

Nicht genau, sondern nur ungefähr so viel.

> leuchten dann alle 3 gleich hell?

Nicht ganz, aber ziemlich, denn durch sie fliesst immerhin derselben 
Strom.

> Stimmt meine Rechnung???

Ja. (auch wenn es ungewöhnlich ist, bei LEDs über den Ersatzwiderstand 
zu rechnen).

> RGB-LEDs mit gemeinsamer Anode

sind besser geeignet, weil die meisten LED-Treiber nach Masse schalten, 
weil NPN Transistoren auf dem Chip mehr Stropm abkönnen.

> "gemeinsamer-Masse" beworben - für was steht das??

Kathode.

Autor: F. V. (coors)
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Wenn du mehrere LEDs in Reihe Schalten willst, nimm aber welche ohne 
gemeinsame Anode oder Kathode. Die sind naemlich fuer sowas nicht 
gemacht...

Edit: Versucht mal die RGB Kanaele beider LEDs einzeln anzusteuern, wenn 
du 2 LED mit gemeinsamer Kathode/Anode verwendest. Ist mir beim erstem 
Mal nach dem Bestellen erst aufgefallen... :)

Autor: Bergie B. (bergie)
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Nur mal so am Rande.

wenn du deinen Gleichrichter mit einem großen C glättest wirst du eine 
eff. Spannung erhalten die zwischen 220V und 325V liegt.


darüber hinaus möchte würde ich einfach mal schauen ob es nicht möglich 
ist die LED mit einem Netzteil zu versorgen welches bei Geringer 
Spannung  arbeitet  und durch seine Eigenschaften den LED Vorwiderstand 
überflüssig macht. Die Energie könnte das über die Pulsweiten Modulation 
geregelt werden und i_ss würde durch das Netzteil vorgegeben werden.

LG

Autor: Andi ... (xaos)
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Robert R. schrieb:
>>An gleichgerichtete 230V Netzspannung
> +niedriger Stromfluss durch Zuleitungen
> +kein Trafo für LEDs
> -Gefahren von 230V
> -aufwändigere Ansteuerung eines FETs für solche Spannungen mit Logic
> ?oder reicht ein normaler Logic-FET, wegen LED-Spannungsabfall?
> ?galvanische Trennung mit Optokoppler sinnvoll?

selten soo einen schwachsinn gelesen....was glaubst du was an 
verlustleistung an R3 abfällt ? an der led sinds 3.6V bei 20mA, am 
widerstand 320V bei 20mA ... wird ja garnicht warm...

bei solchen vorhaben nutzt man spannungen zwischen 24 und 48V und 
schaltet einzelne farben jeweils zu strängen zusammen, die mit einer 
modulierbaren konstantstromquelle betrieben werden..das ist die 
sauberste möglichkeit

Autor: tom (Gast)
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200 Hz sind verdammt wenig. Das sieht man flackern.

Autor: Robert R. (pforcht)
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Hallo Leute,

danke für die zahlreichen Antworten.

Leider ist da auch viel Unfug bei.

a) Ich betreibe nicht eine LED an 325V, sondern ca 50-60 in Serie 
geschaltete. (Ich wollte im Eagle jetzt nur nicht so viele LEDs 
einzeichnen.) Die Verluste am Widerstand sind dann zwar deutlich 
geringer, aber dennoch etwas zu hoch für meinen Geschmack.
Die Idee mit dem Netzteil mit speziellen Eigenschaften klingt 
interessant. Ansonsten gibts noch andere geschickte Möglichkeiten, den 
Strom zu begrenzen? Eine kapazitive Strombegrenzung kommt allein wegen 
der PWM nicht in Frage, da es sich nur um die "problematischen" 
Einschaltvorgänge handelt.

b) 200Hz zu wenig? Falsch! Der Mensch nimmt optisch Frequenzen ab ca 
70-80 Hz nicht mehr wahr. Die PWM habe ich nun umgeschrieben. Sie 
arbeitet nun mit 100Hz. Jeder dieser 0,01 sec Zyklen ist unterteilt in 
20480 Stufen, um eine Abstufung in 32 Stufen zu ermöglichen. Die 
Funktion für möglichst lineare Farbverläufe ist bisher angenähert durch
Es ist an einer LED und einer Testschaltung getestet und funktioniert 
prächtig. Kein Flackern, kein Stocken. Selbst im dunkeln, wenn man nur 
seitlich dran vorbeiguckt.

c) Als Treiber für die LED Kette möchte ich nun statt dem FET lieber 
einen NPN-Hochvolttransistor benutzen. Für die geringen Ströme gibt es 
sogar welche im TO-92 Gehäuse. Den Typ weiß ich gerade nicht auswendig.
Dieser wird direkt vom Microcontroller geschaltet. Natürlich über einen 
Widerstand.

d) Als LEDs werde ich wahrscheinlich die kleine SMD RGB LED von OSRAM 
benutzen. Sie hat jeweils getrennte Anode und Kathode, und ermöglicht so 
eine Serienschaltung. Die Leuchtchips sind im Dreieck angeordnet, und 
das Grün wird als "True Green" geworben. Ich werde in Kürze eine davon 
mit dem Programm Prototypen testen.


----


Probleme bereitet mir die Abschätzung der gleichgerichteten 
Netzspannung. Irgendwo zwischen 230V und 325V ist da zu ungenau. Je nach 
Last natürlich unterschiedlich.
Laplace-/Fouriertransformation mit
 ist per Hand schon nicht mehr möglich, und in Matlab bin ich nicht so 
weit eingearbeitet.
Und wie ich Spannungsspitzen ohne großen Aufwand glätte, weiß ich auch 
noch nicht. Für Ideen bin ich immer sehr dankbar.

Autor: Uwe (Gast)
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Hi!
>Es ist an einer LED und einer Testschaltung getestet und funktioniert
>prächtig.
Aber bei 50-60 LEDs wird die Kette doch recht lang, meinst du nicht das 
du da einen top Störsender aufbaust? Ich bekomme immer etwas 
Bauchschmerzen
wenn ich lese das man ellenlage Kabel einfach so mit PWM befeuert.

Denk mal drüber nach, Uwe

Autor: Thomas R. (tinman) Benutzerseite
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Uwe,

ist deine 230V verkabelung zuhause abgeschirmt ? :P Das sind nur 100hz, 
keine Mhz, da sind alle andere steckernetzteile usw. (die er evt. 
angeschlossen hab) schlimmer.

Autor: Uwe (Gast)
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Hi!
>:P Das sind nur 100hz
Nicht ganz, 1. 50Hz und 2. Sinus.
Er hat aber Rechteck und das hat leider sehr viele harmonische.

Viel Erfolg, Uwe

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Robert,

>Der Mensch nimmt optisch Frequenzen ab ca 70-80 Hz nicht mehr wahr.

Das ist nur richtig, wenn immer die gleiche Stelle auf der Netzhaut 
gereizt wird. Aber wenn du den Kopf drehst, fällt das Geflacker auf 
unterschiedliche Stellen und dann hast du eine Abfolge von "An", "Aus", 
"An", "Aus", etc. auf deiner Netzhaut, womit das Geflacker wieder 
wahrnehmbar wird.

Darüberhinaus ist Flackerlicht ist für das Auge anstrengender und 
ermüdender.

Kai Klaas

Autor: Egal (Gast)
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>Darüberhinaus ist Flackerlicht ist für das Auge anstrengender und
>ermüdender.

Jetzt weiß ich, warum so viele vorm Fernseher einschlafen.
Es liegt also garnicht am Inhalt der Sendungen. Danke.  :-)

Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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also die variante mit vielen led in reihe an 300V scheint von der 
verlustleistung her erst einmal günstiger zu sein. ich habe von solchen 
netzspannungsbasteleien jedoch immer die finger gelassen, denn 
netzspannung ist gefährlich. dazu ein paar gedanken
1. was ist, wenn die kette beschädigt wird?
2. welche spannungdifferenz an den anschlüssen benachbarter leds halten 
die smd teile aus? 60..80V spannungsdifferenz an den anschlüssen 
benachbarter leds halte ich für durchaus möglich, wenn ein strang 
eingeschaltet ist und der benachbarte ist abgeschaltet
3. wie sieht es mit dem wachstum von whiskern bei diesen spannungen und 
so engen kontakten aus. das wachstum solcher zinnkristalle habe ich 
schon bei geringeren spannungen (30V), etwas feuchtigkeit und zeit 
selbst feststellen dürfen.

Autor: Michael M. (Gast)
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"ich weiß nicht, wie man eine spannung glättet"
"ich hole beim versorgungsnetz laplace-trafo und matlab zu hilfe"

ach du schande...

Autor: Robert R. (pforcht)
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Michael M. schrieb:
> "ich weiß nicht, wie man eine spannung glättet"
> "ich hole beim versorgungsnetz laplace-trafo und matlab zu hilfe"
>
> ach du schande...

Danke, das hilft natürlich sehr!
Zwischen erlernter Theorie im Studium und angewandter Praxis herrscht 
doch ein großer Unterscheid. Das werden mir bestimmt viele Bastler hier 
bestätigen können.

> 1. was ist, wenn die kette beschädigt wird?

Das ist schlecht ;) Mindestens genauso schlecht, wie einen herkömmlichen 
230V Lichterschlauch zu beschädigen.

> 2. welche spannungdifferenz an den anschlüssen benachbarter leds halten
>die smd teile aus? 60..80V spannungsdifferenz an den anschlüssen
>benachbarter leds halte ich für durchaus möglich, wenn ein strang
>eingeschaltet ist und der benachbarte ist abgeschaltet

Maximal können 65V zwischen Rot und den anderen Farben entstehen. Das 
lässt sich dadurch minimieren, indem man (wenn man Vorwiderstände 
benutzt) die Vorwiderstände splittet, und z.B. alle 5 LEDs einen 
Teilwiderstand einsetzt.

> 3. wie sieht es mit dem wachstum von whiskern

Sowas ist mir neu. Ich wusste garnicht, dass es so etwas gibt. Hilft es 
eventuell, die Kontakte/Lötstellen an der LED mit Heißkleber zuzugießen?
Btw: Wie geeignet ist Heißkleber zum Isolieren eigentlich?

> Geflacker, 100Hz PWM

Leider gibt auch der Atmel AVR mit 16Mhz Betriebsfrequenz und diesen 
Anforderungen nicht mehr her.
Was das Geflacker angeht, so haben die Leute hier aus dem Forum ziemlich 
unterschiedliche Erfahrungen gemacht. Eine schnellere PWM zu machen, 
würde einen größeren Schaltungsoverhead erfordern. Ich werde es 
allerdings wie bisher versuchen aufzubauen, und dann sehen, ob es 
wirklich so ermüdend wirkt, wie geschildert. Zur Not muss ich eine neue 
Schaltung basteln, bin dann aber um einige Erfahrungen reicher.

> Störsender

Werden 100Hz Rechtecksignale mit unterschiedlicher Breite schon so ein 
Problem?

Autor: Michael M. (Gast)
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>> Störsender
> Werden 100Hz Rechtecksignale mit unterschiedlicher Breite schon so ein
> Problem?
Ach was! Kennst du alter Theorie Hengst denn die spektrale Bandbreite 
von Rechtecksignalen nicht? :-)

Autor: Robert R. (pforcht)
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Michael M. schrieb:
> Ach was! Kennst du alter Theorie Hengst denn die spektrale Bandbreite
> von Rechtecksignalen nicht? :-)
Ne :-P
Bisher hab ich nur Grundlagen der Elektrotechnik und Signale und Systeme 
gehört. Inwieweit das Spektrum Einfluss auf EMV hat - bzw alles, was mit 
Störsignalen und Funktechnik zu tun hat, hab ich noch keinen blassen 
Schimmer von.

Autor: Michael M. (Gast)
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die spektrale bandbreite von rechtecksignalen (idealer sprung) ist 
unendlich. die transformierte funktion hat eine sinus-komponente.
nachdem du leds treiben willst, hast du ordentliche treiberstufen, die 
recht steile flanken hinbekommen -> hohe bandbreite.
nachdem du auch mit einigem an strom unterwegs bist, sendet das ganze 
recht gut.

zu deiner ursprünglichen frage: du brauchst auf alle fälle eine 
geregelte spannung - schon allein wegen der exponentiellen kennlinie von 
dioden. und das ist die netzspannung nicht.

Autor: Robert R. (pforcht)
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Gegen Störsender:
Ich könnte doch eine entsprechend dimensionierte Induktivität jeweils in 
Reihe mit den LEDs+Treiber schalten, um den Rechteckimpuls abzurunden. 
Bei Strömen von 40mA sollte das doch kein Problem sein. Eine solche 
Glättung würde optisch doch sowieso nicht auffallen.

Autor: Robert R. (pforcht)
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Hilft es nicht außerdem, die Hin- und Rückleitungen zu verdrillen?
Die Felder sollten sich dann doch aufheben und nach außen hin neutral 
geben?

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