NE555 LED-Treiber

timo_1991 schrieb:

> Was ich nicht ganz verstehe ist: Warum ist das Gate des Mosfets mit dem
> Ausgang Q (Pin 3) und dem Discharge (Pin 7) verbunden?

Vermutlich nur, um den möglichen Treiberstrom des 555 zu erhöhen.
Aber wenn Du Fragen zu diesen Schaltungen hast, kannst Du ja auch
eine Email direkt an Eberhard schicken. Er schreibt (schrieb?)
sowieso in verschiedenen Foren.
Gruss
Harald

Hallo Timo.

timo_1991 schrieb:

> Was ich nicht ganz verstehe ist: Warum ist das Gate des Mosfets mit dem
> Ausgang Q (Pin 3) und dem Discharge (Pin 7) verbunden? Diese würden sich
> ja im fall des setztens des RS-Glied aufheben.

Aus dem Datenblatt des NE555 von Texas Instruments vom September 1973 
(Revision Juni 2010) direkt auf Seite 1:

"When the trigger input falls below the trigger level, the flip-flop is 
set, and the output goes high. If the trigger input is above the trigger 
level and the threshold level is above the threshold level, the flipflop 
is reset and the output low"........"When the output is low, a low 
impedance path is provided between discharge and ground"

Der Output ist Pin 3, und Disccharge ist Pin 7 (bei 8 Pinnern DIL bzw. 
SO).
Das heisst, Pin 7 schaltet nicht nach Masse, wenn Pin 3 high ist, räumt 
aber das Gate aus, wenn Pin 3 low ist.

Ansonsten ist das ganze ein klassischer Zweipunktregler mit 555, wo die 
untere (Ein-)Schaltschwelle bei 1/3 der Betriebsspannung und die obere 
Schaltschwelle bei 2/3 der Betriebsspannung liegt. Nicht sehr genau, 
aber  robust und einfach.

Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic
http://www.dl0dg.de

Hallo Timo.

timo_1991 schrieb:

> Naja ich denke ich hab das Prinzip der Schaltung einigermaßen
> verstanden.

Du scheinst auf dem richtigen Weg zu sein. Aber ich habe das nur 
überflogen, und nicht im Detail betrachtet oder gar durchgerechnet.

>
> Die Z-Diode ist dafür da, um die enstehende Selbstinduktionsspannung an
> der Spule abzuleiten.

Ob dafür eine Z-Diode nötig ist? Schliesslich kommt die 
Selbstinduktionsspannung ja "von hinten" in Flussrichtung der Diode.
Ich habe in vergleichbaren Situationen eher Schottky-Dioden eingesetzt. 
Schneller und weniger Vorwärtsspannung. Immerhin trägt der abklingende 
Strom durch die Freilaufdiode ja zum Leuchten der Leuchtdiode bei. Er 
solte also dann möglichst nicht durch was anderes runtergeknüppelt 
werden, wo es nur Wärme und kein Licht gibt.

> Ich habe diese Schaltung heute mal in Eagle ein wenig abgeändert um
> anstatt einen P-Kanal Mosfet einen N-Kanal Mosfet verwenden zu können.
?????

> Kann ich den Spannungsabfall der Spule und dem Mosfet vernachlässigen?

Das hängt von den Daten des Transistors und der Spule ab. 
Leistungstransistoren haben Kanalwiderstände DS von wenigen Milliohm. 
Dazu musst Du sie aber auch passend Ansteuern, was für 5V nur mit 
speziellen "logic level" Typen geht.

Bei der Spule ist der ohmsche Anteil der Drahtwicklung (und natürlich 
magnetische Verluste) wichtig. Ich habe zum Basteln in dem Bereich um 
200-600uH gerne ausgeschlachtete Entstördrosseln verwendet, die dafür 
aber nur schlecht funktionieren, weil ihr Gleichstromwiderstand mit 1-2 
Ohm schon zig mal höher ist als Dein Messshunt. Sowas macht man besser 
nicht. Aber für ein "proof of concept" langt es. ;O)

> Muss die Versorgungsspannung Vcc genau auf die Flussspannung der LED
> festgelegt sein?

Nein. sie darf deutlich höher sein. Stichwort für Google: 
"Buck-regulator"
Ausserdem regulierst Du den Strom, die Spannung stellt sich über der 
Diode dann passend dazu ein.

Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic
http://www.dl0dg.de

Hallo Timo.


timo_1991 schrieb:

> Da Pin 6 über einen PullUp an +VCC hängt ist ja von anfang an schonmal
> das RS FlipFlop auf RESET geschalten...Wie soll es dann jemals wieder
> gesetzt werden? Die bedinung dafür ist das am Komperator A weniger als
> 83mv am Invertierten eingang anliegen. Also wenn der Strom unter Imax
> ist.

Aus dem Datenblatt des NE555 von Texas Instruments vom September 1973
(Revision Juni 2010) direkt auf Seite 1:

"the Reset input can override all other inputs and can be used to 
initiate a new timing cycle. When reset goes low, the flip-flop is reset 
and the output goes low"
Dazu noch die Zeichnung auf Seite 3.

Reset ist ein invertierender Eingang. Solange an Pin 4 low anliegt, 
bleibt Pin3 auch low und Pin 7 schaltet nach Masse.

Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic
http://www.dl0dg.de

Hallo timo.


timo_1991 schrieb:

> Ich habe im ersten Post versehentlich auf die falsche Schaltung
> verlinkt.

Ach darum stand ich so auf dem Schlauch. ;O)


> Ok ich denke ich habs jetzt Verstanden.

Du scheinst auf dem richtigen Weg zu sein, bis auf ein Problem mit dem 
Shunt und eins mit der Reihenfolge.
Aber ich habe das nur überflogen, und nicht im Detail betrachtet oder 
gar durchgerechnet. ;O)


> Da die VCC der LEDs höher ist als die VCC des 555 kann ich nur den
> ausgangspin zum schalten des gates verwenden.

??? Nein, wieso? Pin 7 zieht auf Masse, zum Abschalten willst Du das 
Gate auf Masse haben.

> Zum räumen des Gates dachte ich müsste ein 10k ausreichen.

Das hängt auch ein wenig an Deinem Transistor. Der hat ja eine 
Gatekapazität, die bei Leistungstransistoren im Nanofaradbereich liegen 
kann. Zusammen mit dem Widerstand hast Du ein RC-Glied mit 
Tiefpasswirkung.
Ist der bei Deiner Arbeitsfrequenz mal 10 schon zu heftig, macht der 
Transistor nicht mehr richtig zu.

Weiter: Auch wenn Du Pin 7 zum Räumen verwendest, solltest Du einen 
Widerstand von Gate nach Masse verwenden, wenn Du experimentierst. Egal, 
ob Du DIL-Sockel hast, oder SO8 auslötest (das Sockeln ist zum 
Experimentieren ideal), weil manchmal möchte man Messen, wie sich 
Spannungsverhältnisse OHNE das IC einstellen, oder kurz in einer 
größeren Baugruppe Blöcke ausser Funktion nehmen, indem man das IC 
entfernt. Ohne Pulldown läuft jetzt das Gate durch Lecks hoch und der 
Transistor öffnet....das möchtest Du nicht. Also mit Widerstand, aber 
dafür langen dann 100k.

> Wo ich die Spule in Reihe setzte, also vor oder nach den
> Shunt-Widerstand, macht ja eigentlich nichts aus oder?

Nicht ganz. An dem Punkte kommen Dreckeffekte hinein, die aus der 
magnetischen Verkopplung der Spule mit ihrer Umgebung herrühren. Dazu 
die kapazitive Verkopplung des Kreises Spule, Freilaufdiode, 
Leuchtdiode, Shunt mit dem Rest der Schaltung. Das Schaltverhalten der 
Freilaufdiode kommt noch dazu.

Schlimmer, Deine beiden Komparatoren vergleichen mit einer fixen 
Spannung gegen Masse. Aber das Gleichspannungspotential am Shunt 
schwimmt irgendwo herum. In der Originalschaltung mit dem P-Mosfet liegt 
eine Seite des Shunts auch fest auf Masse......aber wenn Du das machst, 
schliesst Du Spule und Transistor kurz. Theoretisch bräuchtest Du also 
einen "Instrumentenverstärker".

Ich würde daher in dem Punkte die Originalschaltung verwenden, und mir 
eine Ansteuerschaltung für einen N-FET überlegen, den ich Anstelle des 
P-FETs verwende.

Hier kommt ein weiterer Punkt ins Spiel. Der P-FET macht zu, wenn Pin 3 
hoch ist, und öffnet, wenn er low ist. Beim N-FET ist es aber genau 
andersherum. Auf, wenn Pin 3 hoch ist, und zu, wenn Pin 3 low ist. Dein 
Tastverhältnis kehrt sich dadurch um.

Das Problem könnte theoretisch auch verschwinden, wenn Dir für einen 
N-FET in der Position des P-FETs der Originalschaltung eine 
Ansteuerschaltung einfällt, die invertiert.

Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic
http://www.dl0dg.de

Hallo timo.

timo_1991 schrieb:

> Jaap vieelen vieelen dank!
> Genau diese Infos haben mir gefehlt :)

> Hab auch eingesehen das es mit einem P-Kanal Mosfet weithaus einfacher
> ist.

Ja.

>
> Im Anhang ist noch ein neues beispiel von mir.
> Hier lade ich das gate über einen PullUp am VCC und entlade es über
> einen NPN-Transistor.

Die Idee mit dem Pullup ist nicht so dolle. Bedenke die Gate Kapazität 
und den Vorwiderstand....Du hast wieder einen RC-Tiefpass.....und dann 
auch noch mit 100k. ;O)

Mein Hinweis in einem vorherigen Post bezog sich auf einen Widerstand, 
der zur Sicherheit eingebaut wird, falls jemand den 555 (oder eine 
andere Ansteuerung) zu Versuchszwecken entfernt.

Eigentlich hast Du in dem Punkt jetzt wieder die Originalschaltung (nur 
viiiiel komplizierter gezeichnet). Da treibt der 555 den P-FET ja auch 
direkt. Ist bei kleineren logic Level Fets auch kein Problem....aber 
Dein Problem ist jetzt das Shiften der Ansteuerspannung, und zwar 
niederomiger als mit Pull up/down Widerständen, weil das nicht schnell 
genug ist.
Siehe dazu auch meinen Nachtrag unten.

Du bräuchtest eine Totempfahl oder Push-Pull Ausgangsstufe. Siehe:
http://www.mikrocontroller.net/articles/Ausgangsstufen_Logik-ICs#Push-Pull
http://www.mikrocontroller.net/articles/Treiber#Gatebeschaltung

http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-940.pdf
http://www.ti.com/lit/ml/slup169/slup169.pdf

> Ich dachte daran es so zu machen da die Versorgungsspannung des 555 bei
> 5V liegt und VCC bei 24V.

Das würde gehen. Du kannst die Betriebssüannung eines Cmos 555 aber auch 
auf 12-15V bringen. Er kann bis 18V, auch wenn ich dort lieber mehr 
Reserven hätte....
Manchmal machen die Teile komische Sachen, wenn ihre Betriebsspannung zu 
weit runter sinkt. Das wäre bei 5V weniger schnell der Fall, wenn Du sie 
irgendwie aus den 24V gewinnst. Tipp: lege per Spannungsteiler die 555 
Betriebsspannung so auf Pin 4 desselben, das er sicher abgeschaltet 
wird, wenn die Betriebsspannung zu klein wird. Sonst kann er bei zu 
kleiner Betriebsspannung die Transistoren möglicherweise nicht mehr 
ausreichend treiben. Dann machen die nur halb auf, werden heiss und 
brennen durch.

Nachtrag:

Bernd Wiebus schrieb:

> Ist der bei Deiner Arbeitsfrequenz mal 10 schon zu heftig, macht der
> Transistor nicht mehr richtig zu.

Die "Arbeitsfrequenz" ist hier NICHT der Takt, mit dem der 555 den 
Transistorschaltet, sondern der Kehrwert der Anstiegszeit des 
Rechtecksignals aus dem 555. Das ist erheblich flotter....
Grund: Du willst den Transistor möglichst mit einem steilen Rechteck 
ansteuern, um die Schaltverluste kleinzuhalten.

Tipp: Wenn Du EMV-Probleme hast, kannst Du hier auf Kosten des 
Wirkungsgrades und mit möglichen Temperaturproblemen in den 
Schalttransistoren ein wenig die Signalintegrität verletzten. Manchmal 
ist dass sehr sinnvoll, solange Du nicht übertreibst.

Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic
http://www.dl0dg.de

Hallo timo.

timo_1991 schrieb:

> Über eine Push-and-Pull Ausgangsstufe hätte ich immernoch das selbe
> Problem. Oder nicht? Also wenn ich diese mit Mosfets aufbauen wollte
> zumindest.

Du kannst Push-Pull Ausgangsstufen auch ein wenig Asymetrisch auslegen.

Für extreme Asymetrien werden aber andere Schaltungen verwendet: 
"High-Side-Switch" oder "Low-Side-Switch".

> Außerdem hast du mich jetzt ein wenig verwirrt mit dem RC-Tiefpass
> effekt der mir bisher nie wirklich aufgefallen ist, dennoch praktisch
> immer auftritt bei einem Gate+Vorwiderstand..?!

Ja. Immer. Bei kleineren Transistoren ist aber auch die Gate Kapazität 
kleiner. Darum kann dort mit einem Widerstand leichter passendes 
Verhalten erreichen. Anschliessend schaltest Du dann mit dem kleinen 
Transistor niederohmiger auf einen größeren.

Auch ist die bei bipoplaren Transistoren auftretende Basiskapazität 
ebenfalls deutlich geringer.

Überall wo eine Kapazität und ein Widerstand in Reihe liegen, hast Du 
einen Tiefpass. Das gilt auch für Wasser oder Pressluft in Rohren, oder 
Temperaturen an einem Sensor. ;O)

>
> Wie errechne ich den geeigneten Gate-Vorwiderstand damit die Eckfrequenz
> des entstehenden Tiefpass-Filters möglichst weit weg von meiner
> Arbeitsfrequenz liegt, die flanke aber trotzdem möglichst steil sein
> wird?

s.o. Vorstufe mit kleineren Transistoren/bipolaren Transistoren ec. Wenn 
es zu schlimm wird, einen Schmidttrigger bauen, der hin und her kippt.

Weil das, speziell bei unterschiedlichen Spannungsniveaus und eventuell 
sogar einer geforderten Potentialtrennung kompliziert ist. geht man 
sowas auch gerne mit Optokopplern und Ansteuerübertragern an.
Wenn die Potentialtrennung kleiner als 50V ist, oder nur ein 
Levelschifting erforderlich ist, gibt es dafür spezielle ICs.

Siehe auch: http://www.mikrocontroller.net/articles/Treiber

>
> Ich hab mich auch schon ein wenig nach Schaltregler IC's umgeschaut.
> Dabei bin ich auf den MIC4680 gestoßen, dieser kann mit maximal +38V
> betrieben werden

Den kenne ich nicht.


> Oder den MC34063A.
> Bei diesem Kann Treiber-und Schaltspannung separat anlegen.

Der arbeitet typischerweise mit einem fixen Tastverhältnis von 70% und 
geht zum Regeln in den intermittierenden Betrieb. Ob das für Beleuchtung 
so ideal ist? Der intermittierende Betrieb könnte ein Flackern bedeuten. 
Hängt am Detail.....

Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic
http://www.dl0dg.de

Hallo timo.

timo_1991 schrieb:

> Wenn der Regler den Mosfet leitend machen möchte
> - Schält Pin 3 auf Low
> - Schält Pin 7 auf Masse
> - Dadurch fließt der Basisstrom durch V7.
> - V7 lädt das Gate von Mosfet Q3

Du könntest V7 einsparen. Er bietet keinen Vorteil. Der Strom landet 
letztlich in Pin 7 des 555. Das könnte der aber auch direkt. Wenn nicht 
die Gatespannug mehr ist, als er verträgt. Aber dann ist V7 auch kein 
Schutz, weill immer auf.
Weiter: Du darfst das Gate möglicherweise nicht auf 0V runterziehen. Für 
N-Channel Mosfets gibt es eine maximale Gate-Source Spannung. Beim 
IRF9540 sind das +-20V. Bei 24V Vcc kommt das schon nicht mehr hin.


>
> Wenn der Regler den Mosfet sperren möchte:
> - Schält Pin 3 auf High
> - Schält Pin 7 auf floating?!
> - Dadurch fließt der Basistrom durch V9.
> - V9 entlädt das Gate von Mosfet Q3

Nein. An Pin 3 kommen ja maximal 5V raus. Das Gate sollte zum Sperren 
aber auf (fast) Vcc liegen. Die Basis von V9 sollte zum öffnen nochmal 
0,7V höher liegen......


Aber sieh Dir mal 
http://www.researchgate.net/publication/235931244_Design_of_High-Side_MOSFET_Driver_Using_Discrete_Components_for_24V_Operation/file/60b7d51468b3b3f178.pdf 
an, speziell Seite 2. Die Brückenansteuerstränge, die doppelt vorkommen, 
sind nur einmal gezeichnet. Nicht verwirren lassen.



timo_1991 schrieb:

> Wie errechne ich den geeigneten Gate-Vorwiderstand damit die Eckfrequenz
> des entstehenden Tiefpass-Filters möglichst weit weg von meiner
> Arbeitsfrequenz liegt, die flanke aber trotzdem möglichst steil sein
> wird?

Die Grenzfrequenz eines RC Gliedes ist f = 1/(2pi*RC)

Sie sollte ca. 10 mal so hoch sein, wie der Kehrwert der Anstiegszeit 
Deines Rechtecksignals.

Siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Tiefpass#Tiefpass_1._Ordnung


> In vielen Datenblätter ist der Maximal Gate-Strom nicht angegeben. Lässt
> sich dieser auch errechnen?

Ja. über die Gate Spannung und Kapazität und die Schaltgeschwindigkeit. 
Wenn er für Schalttransistoren nicht angegeben ist, dann ist er 
vermutlich auch im Rahmen der anderen Transistorparameter unkritisch. 
Meint speziell: Wenn die DS Spannung im Rahmen bleibt und die Gate 
Spannung, und Du bei den angegebenen Schaltzeiten bleibst, hast Du keine 
Chance, den Wert zu überschreiten. Schaltzeiten meint, im zyklischen 
Betrieb. Der Einzelpuls ist noch unkritischer.

> Wir könnte ich jetzt die Arbeitsfrequenz des ganzen berechnen?

Am einfachsten überlässt Du das dem 555. Der macht auf, wenn zuwenig 
Strom fliesst, und wieder zu, wenn es zuviel wird. Er kann das mit 
Maximal 500kHz.

Überschlägig über t = I * L/U wobei U Deine Betriebsspannung ist, und L 
die Induktivität der Spule. I ist dabei die Differenz zwischen Deinem 
Minimalstrom und deinem Maximalstrom. Das Ganze ist aber ungenau, weil 
es von Voraussetzungen Ausgeht, die so nicht Stimmen. Deine 
Betriebsspannung steht Dir z.B. nicht voll zur Verfügung, weil ja an der 
LED und dem Transistor etwas verlorengeht. Die Induktivität stimmt L 
eigentlich nie, weil  alle Drosseln ausser Luftspulen nichtlinear sind, 
und abhängig von I selber sind. Ausserdem erhälst Du nur die Zeit, die 
der Strom braucht, um anzusteigen. Um die andere Seite der Rampe mit zu 
berücksichtigen, must Du diese Zeit noch mal (ebenso überschlägig) mit 2 
multiplizieren. Der Strom klingt jetzt über die Freilaufdiode ab, die 
nun ihr eigenes Verhalten mit hineinbringt. Aber über den Dicken Daumen 
sind die Zeiten in etwa ähnlich.
Der ohmsche Widerstand ist dabei überhaupt noch nicht berücksichtigt.
Für die Frequenz bildest Du dann den Kehrwert.

Wenn Du es genauer haben willst, fängt es an, kompliziert zu werden. 
Weniger wegen rechnen, eher weil Du Werte wissen müsstest, die nicht so 
einfach zu ermitteln sind, wie die tatsächliche Induktivität und der 
ohmsche Widerstand. Der ohmsche Widerstand der Spule geht noch, aber was 
ist mit der Verdrahtung/dem Leiterbild? Ausserdem hast Du etliches mit 
Temperaturgang.

Diese Frequenz hat übrigens nichts mit der Frequenz für den Tiefpass 
oben zu tun. Die Rechteckschaltflanken sind viel steiler, als der 
Dreieck hier.

> Wie dimensionier ich die spule am besten? (Zuviel Induktivität gibt bei
> Step-Down-Schaltungen nicht, hab ich irgendwo gelesen).

Theoretisch nicht, aber praktisch geraten Spulen mit höherer 
Induktivität und mehr Windungen wegen der höheren Durchflutung schneller 
in die Sättigung. Dann haben sie deutlich weniger Induktivität. Dafür 
haben
Spulen mit mehr Windungen auch mehr Widerstand. Beides kann Dir böse in 
die Suppe spucken.

Wenn Du eine Speicherdrossel dafür aus dem Katalog aussuchst, suche nach 
Strom (Dein Maximalstrom) und geringem Widerstand aus. Dann schau nach, 
was die für eine Induktivität hat, und überlege, ob den passenden 
Rythmus dazu der 555 noch kann. Und vergess Sicherheitsreserven nicht.

Nochwas: Warum willst Du als Freilaufdiode unbedingt eine Z-Diode haben?
Das hatte ich in vorigen Antworten irgendwo schon angedeutet. Selbst 
Deine "Originalvorlage" verwendet dort mit 1N5817 eine Schottky-Diode.

Mit freundlichem Gruß: Bernd Wiebus alias dl1eic
http://www.dl0dg.de