Schnelle Konstantstromquelle für Power LED mit 8 Bit DAC ansteuern

[klap x. (klap2)]

Hallo zusammen,

ich möchte mit einem Microcontroller (AVR, 16MHz), 3 DAC (2 x TLC7528) 
und 3 Mosfets (IRFZ24N) eine Power RGB LED (ca. 300mA, bei 12..18V) 
ansteuern.
Ziel ist es einen schnell veränderlichen Farbverlauf hinzukriegen.
Die LED sollen also mit schnell veränderlichen Gleichstrom (kein PWM) 
angesteuert werden.
Der Microcontroller (z.B. ATMega1248P) soll dann ca. 50000 mal pro 
Sekunde die Helligkeit der LED ändern können.

Hatte da an die angehängte Schaltung gedacht, möchte möglichst ohne 
negative Spannung für den OV auskommen, Vermute aber, dass sich der OV 
mit nur einer Versorgungsspannung nahe 0V praktisch undefiniert verhält.
Der erste Gedanke war, die Ausgangsspannung des DAC die Spannung über 
dem Shunt mit jeweils einem Spannungsteiler hochzuziehen (eingekreiste 
Widerstände in Bild), aber das ist wahrscheinlich keine gute Lösung, da 
der Ausgang des DAC sehr hochohmig ist.
Lässt sich vielleicht der Ausgangsspannungsbereich des DAC evtl. etwas 
hochziehen, indem AGND auf ca. 1-2V gelegt wird?
Oder ist eine negative Betriebsspannung für den OV erforderlich (z.B. 
Ladungspumpe).
Ist ein TL062 als Treiber für den IRFZ24N für ca. max. 100KHz 
ausreichend?

Freue mich auf eure Kommentare, Anregungen.
..

[Floh (Gast)]

klap x. schrieb:
> Der Microcontroller (z.B. ATMega1248P) soll dann ca. 50000 mal pro
> Sekunde die Helligkeit der LED ändern können.

Wofür brauchst du 50000 Helligkeitsänderungen pro Sekunde? Die LED 
selbst ist wahrscheinlich schon zu träge, um sinnvoll 1000 mal die 
Sekunde Änderungen mitzumachen. Und der Betrachter ist noch langsamer, 
der kann ca 30 mal die Sekunde was sehen.

[Power Led (Gast)]

Floh schrieb:
> Die LED
> selbst ist wahrscheinlich schon zu träge, um sinnvoll 1000 mal die
> Sekunde Änderungen mitzumachen.

So ein Blödsinn.
Wo hast Du denn den Quatsch her?

100kHz ist für eine LED kein Problem.

Gruß

[Achim S. (Gast)]

klap x. schrieb:
> Ist ein TL062 als Treiber für den IRFZ24N für ca. max. 100KHz
> ausreichend?

deine Schaltung hat schon aufgrund der Kompensation (R2=10kOhm, C=1nF) 
eine Bandbreite unter 20kHz. Zudem musst du mit dem Wert von C eventuell 
noch spielen, damit der Treiber stabil läuft, und die Bandbreite kann 
noch geringer werden.

Der TL062 ist hier nicht die ideale Wahl. Seine common mode voltage am 
Eingang muss ca. 3V von den Versorgungen weg bleiben. Ich würde 
stattdessen einen OPV suchen, der am Eingang bis an die negative 
Versorgung runter geht. Das kann ein rail-to-rail OPV sein, das schaffen 
aber auch diverse nicht-r2r OPVs mit pnp-Eingangsstufe. Damit sparst du 
dir das Verschieben der Eingangsspannung über R1. Nur wenn du ganz 
sicher gehen willst, dass bei Eingangssignal 0 gar kein Strom über die 
LED fließt, musst du Signale um einige mV verschieben (um den 
Eingangsoffset des OPVs auszugleichen).

Achte darauf, dass der OPV gut mit kapazitiven Lasten klar kommt. Das 
bedeutet im Normalfall auch, dass er einen geringen (open loop) 
Ausgangswiderstand hat und das Gate des MOSFETs relativ schnell treiben 
kann. Damit darf dann auch wieder dein Kompensations-Kondensator klein 
werden und du hast eine Chance, die 100kHz zu erreichen.

Die 100kHz sind die (Kleinsignal)-Bandbreite deines Treibers. Wenn du 
schnelle Helligkeitssprünge erzeugen willst, könntest du im Prinzip in 
Großsignal-Limitierungen deines OPVs reinlaufen. (Slewrate Begrenzung 
und Ausgangsstrombegrenzung des OPV). Aber da die Einstellzeiten ohnehin 
im Bereich vieler µs liegen, sollte sich auch ein OPV finden lassen, der 
diese Anforderung erfüllt.

und übrigens: du bist dir schon darüber im Klaren, dass der TLC7528 
einen Stromausgang hat, oder? Du kannst ihn nicht direkt an diese 
Treiberschaltung anschließen sondern musst noch einen OPV 
dazwischenschalten, der aus dem Ausgangsstrom des DAC eine Spannung 
macht.

[klap x. (klap2)]

Achim, danke für die ausführliche und hilfreiche Antwort.

Den TLC7528 wollte ich im voltage-mode betreiben (OUT(A|B) an 5V, 
REF(A|B) ist Ausgang). Hätte es Vorteile ihn so zu betreiben wie du 
beschreibst (OUT ist Ausgang)?

Ich habe es nun doch mit einer negativen Spannung versucht (3,6V 
Batterie testweise) und ein paar Experimente gemacht (Schaltung wie 
oben, ohne R1 und mit 50Ohm zwischen OPV und Gate):

Die Schaltung mit dem TL062 scheint sehr schnell zu sein, allerdings ist 
dem Ausgangsstrom eine Schwingung Überlagert (knapp 1MHz).
Komischerweise hat der Kondensator keinen Einfluss auf das Schwingen. 
Ich habe 22p, 10n und 100n versucht, kein Unterschied!?
Dafür bekomme ich das Schwingen fast weg, wenn ich die pos. 
Betriebsspannung von 22V auf 26V erhöhe (scope_22V-26V.PNG). Für einen 
normalen Betrieb sollten aber 18V schon reichen (rote LED:13V + shunt:5V 
= 18V), oder? Könnte das Schwingen am Versuchsaufbau liegen? 
(breadboard.JPG)

Würde es dann evtl. auch mal mit einem kleineren Mosfet versuchen, der 
IRFZ24N ist etwas überdimensioniert.

Ich habe dann den TL062 durch einen LM368 ersetzt:
Das Schwingen ist weg, auch ohne Kondensator, dafür sind die Flanken 
nicht so steil - liegt wohl an der geringen slew rate.

Habe den TLE2141 gefunden, währe der gut geeignet oder kann jemand einen 
anderen OPV empfehlen der auch für Privatpersonen verfügbar ist 
(idealerweise Reichelt oder evtl. auch z.B. hbe-shop.de (Farnel)?).
Wichtig: kapazitive Last, hohe slew-rate, hochohmiger Eingang, min. 30V 
Betriebsspannung.

Zu den LED:
ich verwende farbige LED (RGB), die haben keine nachleuchtende 
Phosphorschicht und sollten deshalb schnell genug sein.
Ziel des privaten Projekts ist es, schnelle Vorgänge sichtbar zu machen. 
Die LED sollen jeweils nur für eine kurze Zeit an sein (z.B. Stroboskop)
Im Datenblatt der chinesischen no-name ebay - LED ist iMax=300mA 
angegeben.
Wären kurzzeitig (für einige 10ms) auch z.B. 500mA möglich ohne dass die 
Lebensdauer nennenswert sinkt?
Habe gehört, dass sich die Lebensdauer hauptsächlich durch die 
thermische Belastung verringert, kann mir aber nicht vorstellen, dass 
sich der Chip in so kurzer Zeit deutlich erwärmt, oder?
Vorteil des überhöhten Stroms wäre auch, dass der Wirkungsgrad der LED 
zunimmt, was auch einer der Gründe für PWM sein soll. Liege ich da 
richtig?