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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik 74HC595 mit 5V und BS170 als Treiber für 12V. Geht das?


Autor: Joachim Schmidt (mithotyn)
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Hallo zusammen!

Ich einem größeren Modellbau-Projekt habe ich rund 200 kleine Lämpchen. 
Diese werden nominal mit 12V betrieben, können aber durch die Netzteile 
auch gedimmt werden und mit weniger Spannung versorgt werden. Die 
Lämpchen sind so verdrahtet, dass manche einzeln angeschlossen sind, 
manche aber auch parallel in Gruppen.

Ich möchte nun per PC/µC diese Lämpchen Ein-/Ausschalten können. Dazu 
hab ich mir folgende Schaltung überlegt, die per SPI gesteuert wird. 
Diese Module sollen über einen "Bus" beliebig kaskadierbar sein. (Pro 
Modul soll es später 16 Ausgänge geben, war nur zu faul das noch 
einzuzeichnen.)

Über die Klemme K3 kommt einmal eine 5V Steuerspannung für die Register 
und einmal die regelbare "Lastspannung" für die Lampen. Hier gibt es 
mehrere Als FET hatte ich an den BS170 gedacht, da die Lampengruppen 
nicht mehr als 500mA ziehen. Ein Treiber ala ULN2003 scheidet aus, da 
dessen Gesamtbelastbarkeit doch zu niedrig ist.

Meine Frage ist nun, funktioniert das was ich mir da ausgedacht habe?
Kann ich die BS170 einfach durch größere FET ersetzen? Dann könnte ich 
mit gleichem Platinenlayout auch höhere Ströme schalten wenn nötig.

Bekomm ich irgendwie die gemeinsame Masseschiene zwischen 
Steuer-/Laststromkreis weg? Bei 200 Lampen a max. 500 mA hätte ich auf 
der Masse-Sammelleitung irgendwann 100A....
Wie wärs mit Optokopplern als Schaltstufe vor den FETs?

Danke für Eure Hilfe!

Gruß Joachim

Autor: Michael_ (Gast)
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Du mußt die Lampen zwischen +12V und Drain legen. Bedenke auch, das bei 
Glühbirnen der Kaltwiderstand ein zehntel des Widerstandes hat. Da sind 
die BS170 recht schwach.

Autor: Joachim Schmidt (mithotyn)
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Ich hab mich nochmal ein wenig umgelesen und denke, folgende Schaltstufe 
ist nutzbar.

Damit hätte ich eine galvanische Trennung zwischen Steuer- und 
Laststromkreis und der verwendete FET hat ausreichend Power.

Lediglich die Bestimmung der Widerstände ist für mich nach wie vor 
"Magic". :-)
R1 müsste mit rund 200 Ohm hinkommen
Wie bestimme ich R2 und R3?

Einwände? Verbesserungsvorschläge? Sind halt recht viele Bauteile, wenn 
ich rund 200 solcher Schaltstufen brauche. Geht's irgendwie einfacher?

Und die Schaltstufe funktioniert zwischen sagen wir mal 6V und 12V auf 
der Last-Seite gleich gut?

Gruß Joachim

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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Hallo Joachim,

jetzt musste ich aber alles mehrfach lesen.
.. und trotzdem kam es mir Spanisch vor.
Jetzt habe ich das "Spanisch" aber übersetzt.

IN deinem ersten Post redest Du von "BS170".
Dieser ist aber nun leider ein N-Kanal FET.
Damit kannst du das Minus der Lämpchen schalten,
nicht jedoch das PLUS.

Das heisst dann aber , dass dein erster Schaltplan wohl
vollkommener Murks ist. (es sei denn du meinst BS250)

Die Frage ist doch jetzt, ob du die Minusse schalten kannst,
oder ob es die Plusse sein müssen.

Sag doch mal genau, um was es geht und korrigiere deine Pläne mal.

Gruss Klaus

Autor: Joachim Schmidt (mithotyn)
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Hi Klaus!

Danke für deine Antwort! So spanisch find ich das gar nicht. :-)

Also ob ich Plus oder Minus schalte ist mir egal, ich kann beides an den 
Lampen noch verdrahten.

Die erste Schaltung ist damit in der Tat Murks und auch der FET wohl 
nicht der passende.

Deswegen Schaltung 2, welche nur eine einzige Schaltstufe zeigt, welche 
aber dann entsprechend an jedem Port des Registers eingesetzt werden 
soll. Das ist also die (hoffentlich) korrigierte Form der Schaltung 1.

Würde es denn mit Schaltung 2 gehen?

Gruß

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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Na Joachim, das macht es doch klaren und einfacher.
Soweit es eben geht, entscheide dich für Low-Side schalten.
.. also die Masse schalten // das spart Bauteile und Aufwand.

Dann könntest Du den BS 170 nehmen und direkt an den Port des uC 
klemmen.
Sollte dieser dann doch zu schwach sein (oder Du auf Nummer Sicher gehen 
willst),
kannst Du jeden beliebigen LOGIG-LEVEL FET einsetzen, der mehr Strom
verträgt.


Ich kenn z.B von CSD-Elektronic den IRLU024N. Eigentlich ein SMD 
Transistor.
Allerdings hat der auch Beinchen. (0,31 per Stück).
Den kann man auch stehen montieren und er ist stark genug.
evt. zur Sicherheit noch nen 8,2 oder 15 ohm Widerstand in Reihe zum 
gate.

Gruss Klaus

p.s.
Die Sache mit dem Optokoppler geht wohl, ist aber Materialverschendung

Autor: Joachim Schmidt (mithotyn)
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Hi!

Also gut, soweit verstanden.

Nur das mit dem Optokoppler muss ich nochmal aufgreifen:

Die 200 Lämpchen werden von mehreren Netzteilen mit Strom versorgt, 
welche sind einzeln regeln lassen.

Wenn ich nun die Schaltung so aufbaue, dass ich alle Masseleitungen der 
12V Netzteile und die des Steuerstromkreises 5V zusammenschalte, dann 
hab ich bei (übertrieben geschätzten) 200 Lampen je 100mA ne 
Gesamtstromstärke von rund 20Ampere.

Die muss ich ja irgendwo auf ne Sammelschiene legen. Ist das nicht 
bißchen arg viel und birgt Probleme? So viele verschiedene 
Spannungsquellen auf ne gemeinsame Masse zu legen? Brummen? Störungen? 
Sonstiges?

Gruß

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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Hi Joachim,

solche grossen Verkettungen habe selbst noch nicht betrieben aber
trotzdem sehe ich jetzt erstmal keinen Grund für die Koppler
zwischen dem 595 und dem Fet.
Es est ja so, dass du 2 mal 595 nebst der 16Fet auf einem Modul
unterbringst. Dieses Modul hat seinen eigenen 12 Volt Kreis.
Der laststrom fliesst ja dann auch nur am Modul gegen seine
eigene Lastmasse und erzeugt ja keinen weiteren Spannunsabfall
auf der gesamten Masseschiene.

Was ich mir eher vorstellen könnte, wären Optokoppler in den
jeweiligen Eingangs Steuerleitungen  der 595er um dann die
jeweiligen 5Volt aus den jeweiligen 12 Volt direkt auf dem Modul
zu erzeugen.

Die Verkabelung für MR kannst du dir ggf auch noch sparen,
indem du an den Pin eine Kombination  aus R und C anbringst,
die nach einschalten des betriebsspannung einen Autoreset durchführt.


Gruss Klaus

Autor: Joachim Schmidt (mithotyn)
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Morgen!

Mit dem MR wollte ich ggf. durch den µC ein Reset aller 595 durchführen. 
Dachte das ist weniger Aufwand, als 200 Null-Bits durch die Register zu 
shiften.

Wegen der Spannungsversorgung hab ich mir eh was überlegt. Ich will die 
alten dicken Trafos - teilweise noch 16V Wechselspannung von alten 
Eisenbahnen mit einfachem Gleichrichter dahinter - gegen ein modernes 
Schaltnetzteil austauschen.

In den Sinn gekommen ist mir da erstmal ein PC-Netzteil, welches die 
Leistung für alle Lampen alleine bringen kann. Auch gibts hier bereits 
alle nötigen Spanungsebenen mit gemeinsamer Masse.

Dann stellt sich nur die Frage, wie ich einen "Dimmer" einbauen kann. 
Hier hab ich jetzt gelesen, kann ich den OE-Pin des 595 mit PWM 
entsprechend ansteuern.

Bin mir nur nicht sicher, ob PWM bei den Glühlämpchen so funktioniert. 
Spricht da was dagegen? Senkt das nicht die Lebensdauer der Glühwendel?

Gruß Joachim

Autor: Joachim Schmidt (mithotyn)
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Ich lese gerade, dass PWM bei Glühlampen die Haltbarkeit sogar 
verlängern kann. Außerdem könnte ich durch einen "Sanftanlauf" den 
Nachteil des Kaltwiderstandes in den Griff bekommen und die FETs 
schonen.

Richtig?

Gruß Joachim

Autor: Klaus De lisson (kolisson)
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Tja Joachim,
auch da habe ich keine Erfahrungen mit Lebensdauer von Glühlampen und 
PWM.
Ich denke jedoch, dass es bei geschickter Wahl der Frequenz kein Problem
geben sollte.

Wenn die Frequenz zu hoch ist steigen die Schaltverluste im FET.

Ist sie zu niedrig könnte es Flackern (wegen der Trägheit der Lampe
wohl aber eher nicht)
.. und die Wendel könnte immer wieder erkalten und dann die Lebensdauer
doch verringern.

Gruss K

Autor: Jens G. (jensig)
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Wenn ich es richtig mitbekommen habe, dann sind das 12V/100mA-Lämpchen. 
Die sollten sich noch relativ lässig mit dem BS170 schalten lassen, wenn 
ich mir so das SOA-Diagramm anschaue. Mehr als 100ms braucht wohl so 
eine Lampe nicht, um auf Temperatur zu kommen. Und da darf man sich 
schon 1A leisten, und das bei 6V. Allerdings fließen bei dieser Spannung 
nur 0,5A Kaltstrom, wegen halber Spannung an der Lampe.
Allerdings wirkt der BS170 bei 5V Ansteuerung ohnehin stark 
strombegrenzend, ist aber noch durchgesteuert genug, wenn sich dann die 
100mA einstellen. Einziger negative Nebeneffekt dürfte der sein, daß die 
Lampen langsamer angehen - vielleicht ist das aber auch eher egal, und 
man kann sich darüber freuen, daß durch den verringerten Einschaltstrom 
die Lampenlebensdauer erhöht wird. Ich finde den BS170 also gar nicht so 
verkehrt an dieser Stelle.
Wenn Du allerdings (wie weiter oben angegeben) 500mA pro Lampe 
veranschlagst, dann brauchste natürlich andere Mosfets.

Mit der Optokoppler-Variante haste natürlich die wenigsten Probleme mit 
der Masseführung. Und ist auch in Bezug auf Masse-spannungsabfälle durch 
die Massetrennung von Ansteuer- und Leistungsteil weit unempfindlicher 
auf Eigenstörungen. Ist aber auch die aufwendigere/teurere Variante.

Ansonsten, was die 20(100)A Gesamtstrom angehen, sollte es trotzdem auch 
ohne OK's gehen:
Wenn z.B. 1 Netzteil pro Modul, das Modul direkt am Netzteil 
anschließen, und dann einfach normal die Massen (in Nähe des 595) der 
Module untereinander verbinden. In dem Falle würde ja keinerlei 
Laststrom über die Masse zw. den Modulen fließen (wenn nciht anderweitig 
die Massen noch irgendwo miteinander verbunden sind)
Wenne es dagegen eine Gemischtverschaltung sein soll (also mehrere 
Module pro Netzteil, dann innerhalb einer solchen Gruppe sternförmig die 
Module verschalten, und die Gruppen untereinander dann einfach mit 
einfacher Masseverbindung verschalten.
Eigentlich würde ich sogar so weit gehen, daß man die Masse des 595 
separate ebenfalls sternförmig zu diesem Stern führt. Das kann dann zwar 
zu einer für die Gates sichtbaren Störspannung auswirken, aber ich 
denke, dort stört die am wenigsten. Immer noch besser, als wenn diese 
Störspannungen für die 595-Eingänge sichtbar wird. Mit einer separaten 
595-Masse zum Massestern haben wir quasi mögliche Störspannungen vom 
595-Eingängen zu den Gates verlagert, die nicht so dramatisch reagieren 
sollten (und wenn, dann würde man das praktisch nicht merken).

Es sei denn, Du machst die Lastmasse so dick, daß keine höheren 
Spannungsabfälle über diese Masse abfallen (vor allem durch die 
Einschaltströme, wenn mehrere Lampen gleichzeritig einschalten), dann 
kann man auch auf die separate 595-Masseverbindung zum Stern verzichten.
Die Masseverbindungen zw. den Gruppen müsste man dann ebenfalls am 
Sternmittelpunkt machen.

Autor: Joachim Schmidt (mithotyn)
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Hi zusammen!

Nach etlichen Tests, Versuchen und Überlegungen hab ich euch im Anhang 
mal das Vorläufige Ergebnis angehängt.

Es handelt sich um ein Schaltmodul, welches per I2C von einem 
Hauptcontroller angesprochen wird. Bis zu 32 Module können von einem 
Controller angesprochen werden. (Adresse per DIP-Schalter wählbar)

Zusätzlich überwacht der ATTINY noch die Spannung (Wenn F1 durchbrennt 
oder einer der Stecker abgezogen wird) und meldet das entsprechend an 
den Hauptcontroller.

Das Schaltmodul hat 48 Ausgänge, welche durch den ATTINY in 32 
Helligkeitsstufen per PWM gesteuert werden können. Die PWM Frequenz ist 
um die 400Hz.

Den BS170 hab ich gegen einen IRLU024 getauscht, um nach oben hin noch 
etwas Reserve zu haben, was den Schaltstrom betrifft (ohne gleich ein 
TO220 nehmen zu müssen), auch wenn ich im Durchschnitt nur mit 100mA pro 
Ausgang rechne.

Ich würde im nächsten Schritt aus dem Plan ein Board erstellen und das 
ätzen lassen. Deswegen würde ich mich freuen, wenn ihr da mal 
drüberschauen könnt, ob das alles so in Ordnung ist.

Eine Frage hab ich dazu:

Ich hab im Forum dutzende Beiträge gelesen, wo zwischen 595 und FET ein 
Widerstand zur Strombegrenzung eingebaut ist. Die Meinungen der 
Sinnhaftigkeit gehen aber weit auseinander. Der Grund erscheint logisch, 
aber wie siehts nun aus? Widerstand ja oder nein?

Gruß Joachim

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