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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik PWM-Steuerung: Kerko schwingt, Elko nicht


Autor: Timmy (Gast)
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Hallo,

ich habe eine PWM Steuerung für eine 35V 2A LED, die mit einem NMOS 
geschaltet wird. Jetzt frage ich mich, was ein sauberer Eingangspegel 
wäre. Ideal wäre natürlich genau 35V, was aber wegen der Induktivität 
nicht möglich ist. Deshalb wollte ich die Eingangsspannung glätten. Dazu 
habe ich folgende Fragen.

Erste Frage: Lasse ich den Kondensator ganz weg, habe ich Vpp=12V. Die 
LED leuchtet aber natürlich trotzdem. Wozu macht man also das ganze? 
(Bitte hier keine ironischen/zynischen/sarkastischen Antworten. Ich 
kenne euch doch!!!)

Zweite Frage: Nehme ich einen 10uF Kerko, habe ich noch Vpp=3V. 
Allerdings schwingt er ziemlich stark, wenn der NMOS sperrt. Ein Elko 
mit 20uF schwingt überhaupt nicht und hat Vpp=600mV. Wieso ist das so?

Letzte Frage: Was ist ein vernünftiger Vpp Wert?

Autor: Stefanus F. (stefanus)
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Die Sprache der Elektronik ist der Schaltplan. Zeichne mal einen, damit 
man deinem Geschreibsel folgen kann.

Und zeichen dort auch ein, zwischen welchen Punkten du die Spannungen 
misst, von denen du geschrieben hast.

: Bearbeitet durch User
Autor: Timmy (Gast)
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Also warum ein Kerko generell schwingt und ein Elko nicht sollte sich 
auch ohne dass ich einen Schaltplan anfertige beantworten lassen (ich 
tippe auf ESR) und was ein zulässiger Vpp Wert wäre ebenso. Letzteres 
lernt man wohl nur in einem Studium für EMV.

Autor: Stefan S. (mexakin)
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Nur grob zu deinen GEdanken:

Die Ledspannung von 35V stellt sich ja je nach Strom ein, also deine 
idealen 35V, das stimmt so nicht, ideal 2A würde ich sagen, aber das hat 
nooch nichts mit deiner Frage zu tun.

Schaltplan ist glaube ich doch notwendig, es kommt nicht so raus ob du 
den Kondensator parallel zur Led schalten willst oder wirklich 
Eingangsseitig, und wieso vergleichst du einen 10u mit einem 20u, wenn 
dann muss man doch gleiche Werte vergleichen und eigentlich merke ich 
während dem schreiben dass sich mehr Fragen auftun als Antworten, ich 
schicks trotzdem mal ab :)

Autor: Timmy (Gast)
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Naja ich versuchs mal:

                                                G----uC
35V----------------------------LED--------------D
     ^1Meter   |*      ^2Meter        ^2Meter   S-----GND
              20uF
               |*
              GND

*=Messpunkt

Autor: Timmy (Gast)
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Nach der LED gehts natürlich wieder zurück zum Steckbrett. GND und GND 
sind also nur einige cm voneiannder entfernt.

Autor: Achim S. (Gast)
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Timmy schrieb:
> Naja ich versuchs mal:

danke

Timmy schrieb:
> Nehme ich einen 10uF Kerko, habe ich noch Vpp=3V.
> Allerdings schwingt er ziemlich stark, wenn der NMOS sperrt. Ein Elko
> mit 20uF schwingt überhaupt nicht und hat Vpp=600mV. Wieso ist das so?

Was den unterschiedlichen Ripple angeht: der Kerko hat bei 35V 
Vorspannung möglicherweise nur noch 2µF (von den nominellen 10µF) 
wirksam. Damit wird der Ripple größer als bei 20µF Elko. Was für eine 
Bauform/Spannungsfestigkeit hat denn der Kerko?

Was die Schwingung angeht: hast du mal einen Screenshot? Und was für 
einen Elko setzt du denn ein (wie groß ist z.B. der ESR, und liegt seine 
Eigenresonanz unterhalb oder oberhalt der Schwingfrequenz)?

Autor: Peter D. (peda)
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Die Preisfrage bleibt, wo kommen die 35V überhaupt her?
Ohne die 35V Schaltung kann man nur im Kaffesatz lesen.

Autor: Timmy (Gast)
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Achim: Das ist gut möglich. Das mit dem DC-Bias habe ich ganz vergessen. 
Er ist für 50V freigegeben. Der Elko ist genau gesagt ein 27uF EKZN Elko 
in den Maßen 5x11mm. Er hat laut DB einen ESR von 400mOhm. Die 
Schwingfrequenz liegt bei 140kHz und nach vier Druchläufen ist die 
Dämpfung so gross, dass man sie nicht mehr sieht.

Peter: Die 35V kommen direkt vom Ausgang eines Festspannungsnetzteils. 
Schliesse ich ein Labornetzteil an, sieht es identisch aus.

Autor: Peter D. (peda)
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Timmy schrieb:
> Die 35V kommen direkt vom Ausgang eines Festspannungsnetzteils.

Dann stimmt Dein Schaltplan nicht.
Ich kenne kein 35V-Netzteil, wo nach 1m Kabel nur noch 12V übrig sind.

Timmy schrieb:
> Ideal wäre natürlich genau 35V, was aber wegen der Induktivität
> nicht möglich ist.

Da ist keine Induktivität im Schaltplan.

Autor: Timmy (Gast)
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Oszillogramme. Bitte die vertikale Skala beachten, da die sich ändert.

Autor: Timmy (Gast)
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Peter: Mit Induktivität meine ich den Leitungsbelag. Und woher hast du 
jetzt auf einmal 12V?

Autor: Timmy (Gast)
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Achso du meinst Vpp. Das ist ja auch was anderes als ein ohmscher 
Verlust.
Siehe Oszillogramm "keiner.png"

Autor: Peter D. (peda)
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Timmy schrieb:
> Mit Induktivität meine ich den Leitungsbelag.

???

Timmy schrieb:
> Und woher hast du
> jetzt auf einmal 12V?

Timmy schrieb:
> Lasse ich den Kondensator ganz weg, habe ich Vpp=12V.

Autor: Achim S. (Gast)
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Timmy schrieb:
> Er ist für 50V freigegeben.

Gehäusegröße 1206? Im Anhang ist exemplarisch ein Kurve der 
Spannungsabhängigkeit für so einen. Dein Elko hat also mehr als eine 
Größenordnung höhere Kapazität als dein Kerko.

Timmy schrieb:
> Der Elko ist genau gesagt ein 27uF EKZN Elko
> in den Maßen 5x11mm. Er hat laut DB einen ESR von 400mOhm. Die
> Schwingfrequenz liegt bei 140kHz und nach vier Druchläufen ist die
> Dämpfung so gross, dass man sie nicht mehr sieht.

Das Nachschingen kommt aus einer Resonanz von Kondensator und 
(Leitungs)induktivität. Wenn der Kerko effektiv 1,5µF hat ergibt das 
rechnerisch eine Leitungsinduktivität von 0,8µH. Das hast du bei Leitung 
im m-Bereich schnell zusammen, selbst wenn Hin- und Rückleitung eng 
beieinander liegen.

Die 4 Nachschwinger siehst du mit dem Kerko? Das gibt auf die Schnelle 
mit LTSpice ausprobiert einen Dämpfungswiderstand von 200mOhm. Wenn das 
gegen 27µF mit zusätzlichen 400mOhm getauscht wird, bleibt vom 
Nachschwingen nix übrig.

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Peter D. schrieb:
> Die Preisfrage bleibt, wo kommen die 35V überhaupt her?
Vermutlich zur Hälfte von einem ungeeigneten Messaufbau und zur anderen 
von der Leitungsinduktivität...

Autor: Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite
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Dazu gabs auch kürzlich einen Artikel in der Elektronikpraxis[1]. Durch 
den geringen ESR der Keramikkondensatoren können lange Zuleitungen 
ziemliche Spannungsspitzen erzeugen. Der abrupt endende sehr hohe 
Ladestrom gefällt der Leitungsinduktivität gar nicht. Aus 20V werden 
schnell 35V. Selbst Low-ESR-Elkos liegen da noch Größenordnungen drüber 
und dämpfen die Spannungsspitzen durch Leitungsinduktivität ausreichend. 
Und ich vermute, PWM ist soetwas wie Ein- und Ausschalten. Wenn ich mir 
die Datenblätter von LED-Reglern ins Gedächtnis rufe, (LM3410!?) steht 
dort auch etwas von einem Kondensator zur Ripple-Minderung. Dort wird 
allerdings kürzestmögliche Leitung zum Regler gefordert.

[1] http://www.elektronikpraxis.vogel.de/analogtechnik...

Autor: Stefan S. (mexakin)
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noch ein bisschen Senf.

Man betreibt keine LEd direkt an Spannung, ohne Vorwiderstand, bei 
deinem 2A Typ wäre wohl eine Konstantstromquelle angebracht, weil 2 A 
will man nicht mehr in einem Widerstand haben.

Aber wie sooft führen viele Wege nach Rom und die Led leuchtet ja, also 
wenn dus einfach haben willst lässt ud alles so bis der statistische 
Ausfall zuschlägt und das tut er einfach immer :) die Frage ist nur 
schneller oder langsamer

Autor: Timmy (Gast)
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Danke Achim. Das hat mir wirklich sehr geholen. Mir ist auch schon in 
anderen Beiträgen aufgefallen, dass deine Ausführungen immer sehr 
ausführlich und hilfreich sind. Daran sollte sich mal manch einer eine 
Scheibe abschneiden.

Danke Boris. Der Artikel war auch sehr hilfreich.

Autor: Timmy (Gast)
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Eine Frage ist jedoch noch offen. Kann ich mich jetzt mit einem billigen 
Kerko zufrieden geben und die Schwingung "ist halt so", weil wir hier ja 
keinen Schönheitswettbewerb der Oszillogramme gewinnen wollen, oder gibt 
es ein gewichtiges Argument, doch lieber einen Elko zu verwenden?

Autor: Timmy (Gast)
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Ist die Frage zu speziell?

Autor: Achim S. (Gast)
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Timmy schrieb:
> Ist die Frage zu speziell?

Die Antwort hängt zu stark von uns unbekannten Randbedingungen ab.

Du könntest vielleicht sogar noch ein paar Cent sparen und gar keinen 
Kondensator verwenden - die LEDs leuchten ja auch so. Und ins EMV-Labor 
musst du mit deinem Aufbau ja wahrscheinlich nicht.

Ich persönlich würde für so einen (Einzel?)-Aufbau die Lösung wählen, 
die mir am besten vorkommt. Die Bewertungsskala dafür würde ich in 
diesem Fall tatsächlich am "Schönheitspreis des Oszillogramms" 
festmachen, und Zusatzkosten von ~1€ würden mich nicht schrecken.

Wenn ich gezwungen wäre, den letzten Cent rauszuquetschen, weil es z.B. 
in hohen Stückzahlen produziert wird, dann würde ich eine detaillierte 
Analyse von Vor- und Nachteilen und akzeptierbaren Überschwingern machen 
(und mich nicht auf ein Stimmungsbild aus dem Forum verlassen).

Ist halt einfach die Frage wo deine Prioritäten bei dieser 
Schaltungsentwicklung liegen.

Autor: Marc H. (marchorby)
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Mach ein Foto vom Aufbau!

Autor: Timmy (Gast)
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Achso da gibt es keine "Best Practice" Regeln? Bei meiner Bastellösung 
mit Stückzahl 1 ist es mir natürlich auch Wurscht, ob ich jetzt da einen 
2cm³ Elko dranklatsche oder einen kleinen 0805er Kerko. Aber man will ja 
auch was lernen und deshalb bin ich halt neugierig, wie es die Profis so 
machen. Aber wahrscheinlich läuft es da auch meistens so "LED brennt, 
Produkt marktreif, nächstes Produkt entwickeln."

Autor: Joe F. (easylife)
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Timmy schrieb:
> Aber wahrscheinlich läuft es da auch meistens so "LED brennt, Produkt
> marktreif, nächstes Produkt entwickeln."

Da irrst du. Der Profi plaziert Kondensator und FET direkt neben die 
LED. all problems solved.

Deine Stückzahl ist auch wenig entscheidend dafür, dass du einen 
Störstrahler mit 2m Antenne gebaut hast.

: Bearbeitet durch User
Autor: Achim S. (Gast)
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Timmy schrieb:
> Aber wahrscheinlich läuft es da auch meistens so "LED brennt,
> Produkt marktreif, nächstes Produkt entwickeln."

Solche Produkte gibt es. Andere auch, die dann meist etwas mehr kosten. 
Die konkrete Lösung hängt wie gesagt von den Prioritäten der Entwicklung 
ab.

Autor: Thomas E. (picalic)
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Timmy schrieb:
> Aber man will ja
> auch was lernen und deshalb bin ich halt neugierig, wie es die Profis so
> machen.

Um etwas zu lernen könntest Du ja mal mit folgende Massnahmen 
experimentieren:
- Kerko vergrößern/mehrere parallelschalten,
- ESR des/der Kerkos künstlich durch einen Serienwiderstand erhöhen, um 
die Schwingung zu bedämpfen.

Autor: Timmy (Gast)
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Warum nicht einfach einen so knapp bemessenen FET, der bei der 
Überschwingung direkt in den Avalanche geht? Dadurch wird die 
überschüssige Energie wenigstens noch genutzt? Oder habe ich hier einen 
Denkfehler?

Autor: Timmy (Gast)
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Und mit genutzt meine ich nicht, dass damit der FET gebraten wird!

Autor: Achim S. (Gast)
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Timmy schrieb:
> Dadurch wird die
> überschüssige Energie wenigstens noch genutzt?

Timmy schrieb:
> Und mit genutzt meine ich nicht, dass damit der FET gebraten wird!

Sondern? Dass er sanft angewärmt wird und als Raumheizung dient?

Was den FET angeht würde ich vielleicht mal den Spannungsverlauf an 
dessen Drain auschauen (bisher haben wir ja die Spannung am Kondensator 
vor der LED gesehen). Wenn die Drainspannung wirklich durch die 
parasitäre Induktivität des LED-Kreises hochgetrieben wird und du die 
Energie nutzen wolltest, dann wäre eine Freilaufdiode die übliche 
Maßnahme.

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