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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Überprüfung und Frage zu PWM PNP Stufe


Autor: Philipp H. (magier)
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Hallo

ich möchte ein paar LEDs verbauen und habe mich für einen Aufbau mit 
einem PCA9685 und einer PNP-Treiber-Stufe entschieden. Ja ich weiß PNP 
ist eher ungewöhnlich aber so kann ich dringen benötigten Platz für die 
GND-Leitungen sparen.
Dazu habe ich ein paar Fragen und würde euch bitten ob jemand über meine 
Werte schauen könnte.
Ich habe mich an dem Artikel 
Beitrag "Basiswiderstand bei einem PNP" entlang gehangelt und 
herzlichen Danke an Helmut Lenzen (helmi1). Die Erklärung ist super!

Also:
IC1 - Kollektorstrom vom PNP – Last = 1.000mA
U++ - höhere Versorgungsspannung – Vss = 12Volt
IC1 und U++(Vss) sind maximal Werte, die LEDs sind Osram Oslon SSL und 
so wie ich sie verwenden will verbrauchen sie 10,4Volt bei ca 10000mA 
Spitze. Wobei die dann irre hell werden und ich ein Thermisches Problem 
bekomme. Daher werde ich sie wohl um ½ oder ²/³ runter regeln… (Dazu 
mein Testaufbau.)

(T1) PNP - FMMT 717 TA Zetex Transistor , SOT-23
B1        Stromverstärkung vom PNP            = 45
k1        Übersteuerungsfaktor vom PNP        = 10
Ube1      Spannungsabfall BE-Strecke PNP      = 0,9Volt

(T2) NPN - BC 849C SMD :: Transistor SMD NPN SOT-23 30V 0,1A 0,25W
B2       Stromverstärkung vom PNP            = 140
k2       Übersteuerungsfaktor vom PNP        = 10
Ube2     Spannungsabfall BE-Strecke PNP      = 0,7Volt
UCSat2    Sättigunsspannung vom NPN           = 0,5Volt
PWM-Quelle
PCA9685: 16-channel, 12-bit PWM Fm+ I²C-bus LED controller
Uhigh     Spannung von PCA9685   = 4,5Volt

Rechnung

Ib1     =  Basisstrom vom PNP - T1
Ib1     =  Ic1 / B1
22mA    =  0,02A =1A / 45
Ib2     =  Basisstrom vom NPN - T2
Ib2     =  (Ib1*k1) / B2
1,587mA =  0,001587302A = (0,022mA*10) / 140
R1      =  UBE1 / Ib1
40,5Ω   =  0,9V / 0,002A
R2      = (U++ - UBE1 - UCsat2) / (Ib1 * k1)
48,6Ω   = (12V – 0,7V – 0,5V) / (0,02A * 10)
R3      = (Uhigh – UBE2) / (Ib2 * k2)
239,4Ω  = (4,5V – 0,7V) / (0,001587302A * 10)
(So habe ich es für Bild 1+2 berechnet, zeigt die selbe Schaltung.)


Was ich gerne machen würde die PNP Stufe, Parallel zu betreiben (siehe 
Bild 3), geht das so? Und wie sähe dazu die Rechnung aus?
Ib1.3.4.5 =  Basisstrom vom PNP
Ib1.3.4.5 =  Ic1 / B1
22mA      =  0,02A =1A / 45
Ib_A      = 4 * 0,02A
Ib_A      = 0,088A
Ib2       =  Basisstrom vom NPN - T2
Ib2       =  (Ib_A*k1) / B2
6,34mA    = 0,006349206A = (0,088A*10) / 140
R1        =  UBE1 / Ib_A
141,75Ω   =  0,9V /  0,006349206A
R2        = (U++ - UBE1 - UCsat2) / (Ib_A * k1)
170,1Ω    = (12V – 0,7V – 0,5V) / ( 0,006349206A * 10)
R3        = (Uhigh – UBE2) / (Ib2 * k2)
239,4Ω    = (4,5V – 0,7V) / (0,006349206A * 10)
In diesem Fall sind die Ic(X) (Last) vom gleichen LED-Typ. Ich weiß 
natürlich das die LEDs nicht völlig identisch sind, sollten aber kein 
all zu große Abweichungen haben.
Geht das so?


Und dann noch eine Frage, darf ich GND vom PCA9685 und das GNDA von den 
LEDs zusammenlegen oder belastet das den Chip zu sehr?

Schon mal Danke und MfG
Magier

P.S. Sorry die Formatierung, wie macht man hier mehrere Leerzeichen? 
Wiki-Tabellen habe ich auch nicht zum laufen bekommen....

P.P.S Sorry noch mal, die Vorschau sieht anderes aus als auf der 
Seite....hoffe ihr könnt es gut lesen.

: Verschoben durch Moderator
Autor: Stefanus F. (stefanus)
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Die Parallelschaltung A4 kann aufgrudn der Materialstreuungen (B-E 
Spannung) nicht funktionieren. Du musst für jede Basis einen eigenen 
Vorwiderstand verwenden. R1 ist in Schaltung A3 und A4 unnötig.

Deinem Zahlengewirr kann ich  nicht folgen, ich weiß ja nichtmal, auf 
welche Schaltung du dich da beziehst.

Konzentriere dich mal zuerst darauf, ob deine PNP Transistoren überhaupt 
geeignet sind. Wie hoch ist Uce beim maximalen Laststrom? Damit kannst 
du dann die Verlustleistung ausrechnen, die darf nicht über 0,625W 
liegen - bei guter Kühlung, wohlgemerkt.

> wie macht man hier mehrere Leerzeichen?

Benutze die code Tags: 
https://www.mikrocontroller.net/articles/Formatier...

: Bearbeitet durch User
Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Philipp H. schrieb:
> 0,006349206A
Ähem,  das ist nicht dein Ernst, oder?

Was ist denn der Sinn der ganzen Rechnung?
Nimmst du die Stromverstärkung eines Transistors als konstant an? 
Vergiss das. Die schwankt über jeden denkbaren Parameter. Nur der 
Mindestwert wird dir garantiert.

Philipp H. schrieb:
> Und dann noch eine Frage, darf ich GND vom PCA9685 und das GNDA von den
> LEDs zusammenlegen
Du musst den GND zusammenlegen, denn das ist der gemeinsame Bezugspunkt.

> Was ich gerne machen würde die PNP Stufe, Parallel zu betreiben (siehe
> Bild 3), geht das so?
Nicht, wenn alle BE Strecken parallel sind. Denn jeder Transistor hat 
eine geringfügig andere Ic(Ube) Kennlinie.

> P.S. Sorry die Formatierung, wie macht man hier mehrere Leerzeichen?
> Wiki-Tabellen habe ich auch nicht zum laufen bekommen....
Das steht in der Bedienungsanleitung über jeder Eingabebox...

Autor: ArnoR (Gast)
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Philipp H. schrieb:
> Was ich gerne machen würde die PNP Stufe, Parallel zu betreiben (siehe
> Bild 3), geht das so?

Nein, aber du kannst einfach alle LEDs mit ihren Vorwiderständen an 
einen PNP-Transistor hängen.

Autor: Stefanus F. (stefanus)
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Da du ohnehin genug Spannung hast, würde ein ganz gewöhnlicher P-KANAL 
MOSFET viel praktischer sein.

Hast du bedacht, daß deine Widerstände vor den LED Ketten beträchtliche 
Wärme abgeben werden?

Die müssen ca 2V bei 10000mA verheizen, das wären 20 Watt!.

: Bearbeitet durch User
Autor: Dietrich L. (dietrichl)
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Stefan U. schrieb:
> R1 ist in Schaltung A3 und A4 unnötig.

Nein, ist er nicht. Er wird benötigt, um sicher und genügend schnell die 
PNPs abzuschalten.

Autor: ArnoR (Gast)
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Philipp H. schrieb:
> so kann ich dringen benötigten Platz

Wenn du Platz sparen willst, warum nimmst du nicht eine bessere 
Ansteuerung für die PNP? In deinem Bild A3 könnte man den R2 in die 
Emitterleitung des NPN legen und auf R3 verzichten. Man spart so auch 
noch jede Menge Ansteuerstrom, weil keine Übersteuerung des NPN 
stattfindet und die Schaltgeschwindigkeit ist deswegen auch viel größer.

Autor: Philipp H. (magier)
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Hallo

und erst mal dank.
Also der Reihe nach:
--------------------------------
Stefan U. schrieb:
> Die Parallelschaltung A4 kann aufgrudn der Materialstreuungen (B-E
> Spannung) nicht funktionieren. Du musst für jede Basis einen eigenen
> Vorwiderstand verwenden. R1 ist in Schaltung A3 und A4 unnötig.
Okay, R1 kann ich also weg lassen.
Hatte mich nur 1:1 an Basiswiderstand bei einem PNP 
Beitrag "Basiswiderstand bei einem PNP" gehalten und das in eine 
Calc-Tabelle überführt, daher auch die komischen Zahlen. Die Tabelle 
rechnet mit SI-Einheiten (A,V,Ohm)...damit ich mir da nicht noch mehr 
Fehler einfange.

> Deinem Zahlengewirr kann ich  nicht folgen, ich weiß ja nichtmal, auf
> welche Schaltung du dich da beziehst.
Sorry, dachte das sei ersichtlich.

> Konzentriere dich mal zuerst darauf, ob deine PNP Transistoren überhaupt
> geeignet sind. Wie hoch ist Uce beim maximalen Laststrom? Damit kannst
> du dann die Verlustleistung ausrechnen, die darf nicht über 0,625W
> liegen - bei guter Kühlung, wohlgemerkt.
Okay, Treffer und versenkt. Dachte zu anfangs die Werte würden passen. 
Tun sie aber nicht.
FMMT 717 -12Volt und -2,5Ampere, dachte das passt aber Ptot bei 625mW 
NEIN .
(Zur Last komme ich später noch einmal zurück.)

>> wie macht man hier mehrere Leerzeichen?
>
> Benutze die code Tags:
Diesen Fehler habe ich schon gefunden. Hatte den Beitrag in Word 
vorgeschrieben und eingefügt, nur das es mir in der „Vorschau“ den Text 
völlig zerlegt hat. Nach veröffentlichen sah er aber wieder anderes 
aus…..Habe mein bestes gegeben. Dachte so sei es lesbar. Sorry!!

Lothar M. schrieb:

>> 0,006349206A
> Ähem,  das ist nicht dein Ernst, oder?
Siehe oben.

> Was ist denn der Sinn der ganzen Rechnung?
> Nimmst du die Stromverstärkung eines Transistors als konstant an?
> Vergiss das. Die schwankt über jeden denkbaren Parameter. Nur der
> Mindestwert wird dir garantiert.
Mit irgendwas musste ich ja anfangen. 45 steht so als minimale 
Verstärkung im PDF, geht aber auch noch weit höher, bis 475. Dachte mit 
45 liege ich auf jeden Fall richtig. (Werte für PNP)


>> Und dann noch eine Frage, darf ich GND vom PCA9685 und das GNDA von den
>> LEDs zusammenlegen
> Du musst den GND zusammenlegen, denn das ist der gemeinsame Bezugspunkt.
Ganz am Ende ja aber bei meiner Recherche über PNP – Schaltungen habe 
ich den Hinweis gefunden, GND der Last(LEDs) und das GND des 
Digitalteils(bei mir PCA9685) , erst vor dem Spannungsregler(n) zusammen 
zuführen. War mir aber nicht sicher ob das hier auch eine Rolle spielt, 
die Schaltung war ohne NPN. Die hatten den PNP direkt an den PWM Pin 
geklemmt.

>> Was ich gerne machen würde die PNP Stufe, Parallel zu betreiben (siehe
>> Bild 3), geht das so?
> Nicht, wenn alle BE Strecken parallel sind. Denn jeder Transistor hat
> eine geringfügig andere Ic(Ube) Kennlinie.
Oki, habe ich verstanden.

>> P.S. Sorry die Formatierung, wie macht man hier mehrere Leerzeichen?
>> Wiki-Tabellen habe ich auch nicht zum laufen bekommen....
> Das steht in der Bedienungsanleitung über jeder Eingabebox…
Ja, die Hilfe habe ich gelesen, nur mit dem Harken das (wenigstens bei 
mir) sie in der Vorschau nicht funktioniert.


ArnoR schrieb:
> Philipp H. schrieb:
>> Was ich gerne machen würde die PNP Stufe, Parallel zu betreiben (siehe
>> Bild 3), geht das so?
>
> Nein, aber du kannst einfach alle LEDs mit ihren Vorwiderständen an
> einen PNP-Transistor hängen.
Nein, die Idee ist gut würde aber zu Strom ziehen. (siehe weiter unten 
bei Last)


Stefan U. schrieb:
> Da du ohnehin genug Spannung hast, würde ein ganz gewöhnlicher P-KANAL
> MOSFET viel praktischer sein.
Jep, überzeugt. Der FMMT war keine gute Idee.

> Hast du bedacht, daß deine Widerstände vor den LED Ketten beträchtliche
> Wärme abgeben werden?
>
> Die müssen ca 2V bei 10000mA verheizen, das wären 20 Watt!.
Ja dessen bin ich mir bewusst. (siehe weiter unten)


ArnoR schrieb:
> Philipp H. schrieb:
>> so kann ich dringen benötigten Platz
>
> Wenn du Platz sparen willst, warum nimmst du nicht eine bessere
> Ansteuerung für die PNP? In deinem Bild A3 könnte man den R2 in die
> Emitterleitung des NPN legen und auf R3 verzichten. Man spart so auch
> noch jede Menge Ansteuerstrom, weil keine Übersteuerung des NPN
> stattfindet und die Schaltgeschwindigkeit ist deswegen auch viel größer.

Also zur Last, insgesamt 36 LEDs. Das hört sich jetzt nach wahnsinnig 
viel an, ist es aber nicht.
24 der LEDs verteilen sich auf schon auf 8 RGB-Chips, die viel weniger 
verbrauchen als die Osram SSL und Cree.
Maximal Werte einer Nichia SMD LED RGB NSSM124DT
Rot   2,55Volt – 50mA
Grün 3,55Volt – 35mA
Blau  3,25Volt – 30mA
Dafür könnte ich z.B doch den FMMT717 benutzen, habe ich aber noch nicht 
durchgerechnet.

Die restlichen 12 LEDs sind
8X Osram Oslon SSL, neutralweiß
4X Cree MX6 Q3, warmweiß
Wobei die warmweiße LED am meisten zieht. Auch hier die maximal Werte
Warmweiß 4,1Volt – 1000mA

Der Grund wieso es nun eine PNP Schaltung sein soll, ist das ich zwar 
Platz für die Steuer- und Leistungselektronik habe aber nicht direkt bei 
den LEDs und auch der Platz-Weg dahin ist begrenzt.

Ich brauche also etwas, was die Elektronik mit so wenig Verbindungen wie 
möglich mit den LEDs verknüpft und da ich für die LEDs eh pro 
„Farb-Kanal“ eine Spannungsquelle brauche, wäre es ideal wenn ich nur 
einmal GND zurückführen müsste.

Ich habe es es auf Papier ausprobiert, für den PCA und noch die 
Transistoren/Mosfets ist einfach kein Platz und für je eine Vss und GND 
Leitung pro LED-Kreis (2 oder mehr mit Vorwiderstand in Reihe) ist auch 
kein Platz.
Daher die PNP Schaltung…..


Meine Frage hier und das was ich euch gezeigt habe bezieht sich alles 
auf die maximal Werte, ich habe die warmweiß und neutralweiß LEDs, zum 
testen an meinem Labornetzteil angeschlossen und etwas damit gespielt. 
Beide LEDs wurden in der nähe der maximalen Werte viel zu hell für meine 
Zwecke. Ich denke daher, das ich den Spannung unter das Mittel ansetzten 
werde, wobei dann auch die Stromstärke sinken sollte.
Mein Plan ist es eine Schaltung zu haben die erst mal auch das Maximum 
verträgt, sie zu bauen und dann mit der Versorgungsspannung der LEDs zu 
arbeiten um die von mir vorgesehen Lichtkomposition zu haben. Dann kann 
ich auch sehen wie ich die Verluste an den Vorwiderständen der LEDs in 
den Griff bekomme * Antwort-> Stefan Us (stefanus).
Und wenn ich einzelnen Ströme und Spannungen für die LEDs genau kenne 
kann ich auch nachsehen in welcher Spannungsverstärkung ich liege.* 
Antwort-> Lothar Miller (lkmiller)

Wenn ich die habe, kann ich mit den so ermittelten Werte die ganze Sache 
noch mal neu durchrechnen und gegebenenfalls Bauteile anpassen.


Wenn ich den FMMT jetzt durch einen Moseft ersetzte z.B. MOSFET NXP 
Semiconductors PMK50XP,518 1 P-Kanal, hätte ein Ptot von 5Watt. Würde 
das funktionieren?
Habe dazu 
https://www.mikrocontroller.net/attachment/38310/P... 
gefunden.
(im Bild).
T3 = PMK50XP,518 1 P-Kanal
T2 = NPN - BC 849C NPN SOT-23 30V 0,1A 0,25W

Oder was würdet ihr vorschlagen und könnte mir jemand zur Berechnung von 
R2 helfen? Habe mich mit Mosfet‘s noch nicht so recht beschäftigt.

Danke an alle die sich damit beschäftigt haben.
MfG
Magier

Autor: ArnoR (Gast)
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Philipp H. schrieb:
> Daher die PNP Schaltung…..

Wie mir scheint, hast du kein Wort verstanden. Mein Vorschlag ist eine 
Ansteuerung der oben liegenden PNP, nur eben anders und einfacher als 
die Version, die du vorher benutzt hast.

Einen P-Kanal-Mosfet anstelle des PNP kannst du natürlich nehmen, nur 
bringt das hier keinen großen Vorteil, weil du den auch mit einer 
Potentialversatzstufe (dem NPN) ansteuern musst und auch den 
Gate-Source-Widerstand brauchst. Einfacher wird das also nicht.

Autor: Stefanus F. (stefanus)
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Die Schaltung sieht für mich Ok aus. Ich würde aber einen "normalen" 
MOSFET nehmen. Du brauchst keinen Low-Level Typ da du ja reichlich 
Steuerspannung zur Verfügung hast (nämlich 12V).

Ob die Verlustleistung hin kommt, vermag ich nicht auszurechnen. Ich 
würde es einfach testen.

Falls die Verlustleistung durch die Umschaltvorgänge zu hoch ist, könnte 
man eine Push/Pull Treiberstufe aus einem NPN/PNP Pärchen vor den MOSFET 
setzen.
Etwa so: https://www.mikrocontroller.net/attachment/34752/P_FET.png

: Bearbeitet durch User
Autor: Philipp H. (magier)
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ArnoR schrieb:
> Wie mir scheint, hast du kein Wort verstanden. Mein Vorschlag ist eine
> Ansteuerung der oben liegenden PNP, nur eben anders und einfacher als
> die Version, die du vorher benutzt hast.

Habe dich verstanden (denke ich), mit deiner Version spare ich einen 
Widerstand. Danke!
Aber da mir der FMMT eh abstirbt, erschien mir das Problem eher 
unwichtig. Wie oben beschrieben, bei dem PCA und den Transistoren habe 
ich Platz. Wenn der PNP Teil steht, kümmer ich mich um den NPN 
Teil.....Das mit dem sparen von
>jede Menge Ansteuerstrom
behalte ich im Kopf.

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