Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Arduino LED Streifen - PWM - Negative Spannungsspitzen


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von michi_branger (Gast)


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Hallo,

darf ich Euch bei meinem Projekt um Hilfe bitten.
Mit der Suche konnte ich kein ähnliches Problem bzw. Lösung finden.

Zum Projekt, es handelt sich um ein Arduino-Projekt, welches über einen 
IR-Emfänger Daten empfängt, diese auswertet und je nach Daten 
LED-Streifen über PWM regelt.

Als Spannungsversorgung verwende ich einen Spannungnetzteil Modell: 
WT24-120200-G.

Hier darf ich noch einen Link zu dem Schaltplan nennen: 
https://easyeda.com/michi/Wohnwand_LED-1d8cbbe2c72c49daaca4bd0bf47e9f24

(PCB ist das Final)

Ich habe nun an P1 (Ausgang für einen LED-Streifen) mein OSZI angehängt 
und war ziemlich überrascht: zu sehen waren negative (!) Spitzen von bis 
zu minus 30V! (Anhang: OSZI.png)

Je größer der (oder die) Duty-Cycle wird, desto geringer wird die 
negative Spannungsspitze.

Die Spitzen sind auch vorhanden, wenn keinen LED-Streifen angehängt 
sind.

Hatte jemand schon einmal mit so einem Phänomen zu tun bzw. weiß, wie 
man diese negativen Spannungsspitzen verhindern kann?

Vielen Dank!

MfG
michi

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Ohne Schaltplan wird das nichts. Zeichen dann auch mal gleich ein, an 
welchen Punkten du das Oszilloskop angeschlossen hast.

Es heisst übrigens "steuern" nicht "regeln". Regeln ist was anderes.

: Bearbeitet durch User
von Hans (Gast)


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Stefanus F. schrieb:
> Ohne Schaltplan wird das nichts.

Blind?

von Wolfgang (Gast)


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michi_branger schrieb:
> Hatte jemand schon einmal mit so einem Phänomen zu tun bzw. weiß, wie
> man diese negativen Spannungsspitzen verhindern kann?

Bevor man blind zu irgendwelchen Gegenmaßnahmen greift, sollte man 
verstehen, wo die herkommen.

Da ist systematische Vorgehensweise gefragt. Dein Gnd vom Oszi hängst du 
am besten mal nicht irgendwo in die Schaltung, gar noch an ein 
zappelndes Signal, sondern auf Gnd deiner Schaltung. Dann kann man 
weiter sehen.

p.s. Und belichte mal kürzer, damit die Schrift im Photo nicht so 
überstrahlt.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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>> Ohne Schaltplan wird das nichts.
> Blind?

Das ist vermutlich nicht DEIN Schaltplan und da sind die Messpunkte 
nicht eingezeichnet.

von michi_branger (Gast)


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Vielen Dank für die zahlreichen Antworten bisher.

Die Prüfspitze ist hier an Anschluß 1 der Klemme P1 angeschlossen.
Das GND vom OSZI hängt mit Ground am Anschluß 2 der Klemme P1.
Das OSZI hängt also quasi parallel zum Ausgang P1. Von daher stimmt das 
mit dem zappelndes Signal, wenn Q1 sperrt.

Da GND geschalten wird, würde ich mit dem OSZI (Testspitze OSZI an 
Anschluß 2 von P1 -> +12V Schaltung und GND OSZI -> GND Schaltung) immer 
die 12 V Versorgungsspannung angezeigt bekommen.
Hätten Sie eine Idee, welchen Messpunkt ich sonst verwenden kann?

Dies ist mein erstes, richtiges Elektronikprojekt nach vielen Jahren 
Pause von daher bitte ich um Entschuldigung, falls Ausdrücke nicht ganz 
korrekt ist (steuern/regeln).

Derartige Spannungsspitzen kenne ich von früher eigentlich nur bei 
induktiven Lasten, wenn keine Fly-Back-Diode verwendet wird.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Induktive Spitzen wären anders herum gepolt und hätten eine andere Form. 
Das was du uns hier zeigst halte ich entweder für einen Messfehler, oder 
dein Aufbau entspricht nicht dem verlinkten Schaltplan.

von Wolfgang (Gast)


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michi_branger schrieb:
> Da GND geschalten wird, würde ich mit dem OSZI (Testspitze OSZI an
> Anschluß 2 von P1 -> +12V Schaltung und GND OSZI -> GND Schaltung) immer
> die 12 V Versorgungsspannung angezeigt bekommen.
> Hätten Sie eine Idee, welchen Messpunkt ich sonst verwenden kann?

Wieso?
Anschluss 2 von P1 ist lt. Schaltplan der geschaltete Punkt.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Liegts an mir oder findet ihr die Software für den Tiny auch nicht?

Ich würde ja gerne mal die PWM Frequenz wissen, denn die Schaltung in 
den Gates der MOSFet kommt mir doch ziemlich lusch vor mit den 1k zum 
Entladen. Da könnte man schon mal einen kleineren Widerstand nehmen.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Die GND Klemme des Oszilloskopes gehört an GND und die Spitze des 
Tastkopfes gehört an den Ausgang, als den Drain Anschluss des MOSFET.

von michi_branger (Gast)


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Stefanus F. schrieb:
> Induktive Spitzen wären anders herum gepolt und hätten eine andere Form.
> Das was du uns hier zeigst halte ich entweder für einen Messfehler, oder
> dein Aufbau entspricht nicht dem verlinkten Schaltplan.

Am Oszi sehe ich eine negative Spannung, bis zu -30V.
Dort sollte nur das PWM der +12 V Versorgungsspannung anliegen.


Wolfgang schrieb:
> michi_branger schrieb:
>> Da GND geschalten wird, würde ich mit dem OSZI (Testspitze OSZI an
>> Anschluß 2 von P1 -> +12V Schaltung und GND OSZI -> GND Schaltung) immer
>> die 12 V Versorgungsspannung angezeigt bekommen.
>> Hätten Sie eine Idee, welchen Messpunkt ich sonst verwenden kann?
>
> Wieso?
> Anschluss 2 von P1 ist lt. Schaltplan der geschaltete Punkt.

Wenn Q1 sperrt wird GND von Anschluss 2 von P1 getrennt. Ich hätte hier 
keine negative Spannungsspitze erwartet.


> Ich würde ja gerne mal die PWM Frequenz wissen, denn die Schaltung in
> den Gates der MOSFet kommt mir doch ziemlich lusch vor mit den 1k zum
> Entladen. Da könnte man schon mal einen kleineren Widerstand nehmen.

Welchen Wert würde Sie verwenden?

> Liegts an mir oder findet ihr die Software für den Tiny auch nicht?

Hier ein Link zum Source-Code: 
https://github.com/bRanger82/WohnwandLED/blob/master/Light/Light.ino

>Die GND Klemme des Oszilloskopes gehört an GND und die Spitze des
>Tastkopfes gehört an den Ausgang, als den Drain Anschluss des MOSFET.

Danke, ich werde es morgen nach der Arbeit gleich mal versuchen.

Vielen Dank Ihnen allen!

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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> Wenn Q1 sperrt wird GND von Anschluss 2 von P1 getrennt. Ich hätte
> hier keine negative Spannungsspitze erwartet.

Wenn du den GND Anschluss des Oszilloskopes an den geschalteten Pin 
anschließt, kehrt sich die Anzeige um, da GND nun als Signal-Eingang 
miss braucht wird und die Spitze des Tastkopfes fest an 12V liegt.

Merke Dir: GND gehört immer an GND und es kann nur ein GND Potential 
geben. Du hast da nun ein zweites pulsierendes GND Potential geschaffen 
und damit Effekte, die viele Anfänger nicht verstehen. Insbesondere gibt 
es nun nicht mehr einfach "die Spannung", sondern sie ist relativ zum 
jeweiligen Bezugspunkt.

Spätestens, wenn du ein geerdetes Netzteil verwendest, wird die Sache 
mit dem falsch angeschlossenen GND riskant. Damit kann man sich schnell 
mal etwas zerstören (zum Beispiel den PC, wenn man ein USB Oszilloskop 
verwendet).

Aber das erklärt die Peaks immer noch nicht. Ihre Form passt nicht zu 
dem, was ich von Induktiven lasten gewohnt bin. Was sind das denn für 
LED Leisten? Sind die überhaupt für Ansteuerung mittels PWM geeignet? 
Wie wird dort die Stromstärke geregelt?

>> Da könnte man schon mal einen kleineren Widerstand nehmen.
> Welchen Wert würde Sie verwenden?

Da orientiert man sich im Zweifelsfall an anderen Schaltungen, die als 
gut bewertet wurden. Die haben dort fast immer Werte um 100 Ohm und 
keine Diode.

Je größer der Widerstand ist, umso langsamer findet der Übergang 
zwischen An und Aus statt. Zusammen mit der Eingangskapazität des 
Transistors kannst du die Zeit grob abschätzen:

t = 5 x C x R
t = 5 x 1700pF * 1k Ohm = 8,5µs

Bei jedem Einschalten und bei jedem Ausschalten hast du somit eine 
Zeitspanne, in der der Transistor nur teilweise leitet. Die 
Verlustleistung ist in dieser Zeit grob gerechnet P = U * I /2.

Mangels Angaben zur Stromstärke kann ich Dir das nun nicht vorrechnen. 
Jedenfalls siehst du, dass die Verlustleistung direkt vom Widerstand 
abhängt.

: Bearbeitet durch User
von michi_branger (Gast)


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Vielen Dank Stefanus für die ausführliche Erklärung.

Die Diode parallel zum Widerstand kam von einer Projektseite:
https://smarthomeyourself.de/anleitung-zum-selber-bauen/unabhaengige-projekte/treppen-lauflicht-mit-bewegungserkennung/

Hier schrieb der Autor dieses Artikels folgendes, Zitat:
> Als Widerstand sollten hier mindestens 10k-Ohm Widerstände verwendet
> werden. Beim einschalten kann der Strom durch die Diode ungehindert ins
> Gate des Mosfet fließen. Beim ausschalten sperrt die Diode den
> Rückfluss und der Strom muss durch den Widerstand.

Die LED-Streifen sind für PWM geeignet (ich habe beim Kauf darauf 
geachtet).

GND von Netzteil hat keine Verbindung zur Erdung.

Mir ging das Thema die Nacht über nicht aus dem Kopf und heute früh 
musste ich etwas versuchen und zwar habe ich parallel zu der 
Anschlussklemme P1 (also für eines der LED-Streifen) eine Fly-Back-Diode 
(Schottky-Diode MBR 2150), welche ich gerade verfügbar hatte, gelötet.

Das Oszi hatte gleich wie zuvor angeschlossen (GND Oszi auf Klemme  P1 
Anschluss 2 und die Testspitze auf Klemme 1 Anschluss 1).

Und nun zeigte das Oszi eine negative Spitze von -800mV an (im Gegensatz 
zum Test ohne Fly-Back-Diode mit -30V Spitzen), siehe 
Oszi_FlyBackDiode.jpg anbei.
Ich vermute, dass mit den Leitungslängen (Induktivitätsbelag) zu tun 
hat.

Bei meinem Testaufbau am Breadboard konnte ich das Verhalten nicht 
nachstellen. Vermutlich, weil es hier keine längeren (2 Meter) langen 
Leitungen gab.

Ich werde also die Schaltung anpassen.

Danke und liebe Grüße
michi

von Wolfgang (Gast)


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michi_branger schrieb:
> Ich vermute, dass mit den Leitungslängen (Induktivitätsbelag) zu tun
> hat.

Dann rechne mal die Leitungsinduktivität aus, die für derartig langsame 
negative Spannungsspitzen wie im ersten Oszi-Bild erforderlich wären.
michi_branger schrieb:
> OSZI.png

Sitzt vor deinen LEDs irgend ein Wandler/Vorschaltgerät?
Die Induktivität von 2 Meter langen Leitungen passt IMHO nicht zu einem 
derartig langsamen Stromanstieg.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Warum erreichen die Low-Impulse keine (annähernd) Null Volt? Zeige mal 
gleichzeitig mit dem zweiten Kanal die Spannung am Gate.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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michi_branger schrieb:
>> Ich würde ja gerne mal die PWM Frequenz wissen, denn die Schaltung in
>> den Gates der MOSFet kommt mir doch ziemlich lusch vor mit den 1k zum
>> Entladen. Da könnte man schon mal einen kleineren Widerstand nehmen.
>
> Welchen Wert würde Sie verwenden?

Höchstens 100 Ohm. Dein MOSFet wird auch nicht richtig durchgesteuert, 
sonst müssten im 'An' Zustand etwa 0V an der Drain liegen.

Und hoffentlich hast du da nicht wirklich IRF540 benutzt, denn die sind 
nicht zur 5V Ansteuerung geeignet. Ein IRLZ44 oder IRLZ34 ist da die 
richtige Wahl. Schaltet der MOSFet richtig durch, erledigt sich das 
'neg. Spitzen' Problem von selber.
Und kein Mensch weiss, warum man zur LED Ansteuerung eine 
Anstiegs-Verbesserungsdiode bräuchte.

Mal wieder so richtig Schrott aus dem Internet. Es bastelt irgend jemand 
was zusammen, was bei ihm zufällig funktioniert und muss damit sofort 
die Welt beglücken.

Das Dings hier steuert bis zu 20m LED Streifen mit 10A und da gibts 
keine Spitzen:
Beitrag "Re: Quick&dirty - schnelle Problemlösungen selbst gebaut"

: Bearbeitet durch User
von michi_branger (Gast)


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Vielen Dank für Ihre Antwort. IRLZ44 sind schon auf dem Weg :)

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Mir ist noch nciht klar, warum der IRF540 ungeeignet sein soll. Laut 
Datenblatt schafft er typischerweise etwas mehr als 10A bei 5V. Bei 
meinen bisherigen Experimenten trafen die typischen Daten auch stets zu, 
meisten wurden sie sogar ein bisschen übertroffen.

Ich erwarte daher, dass man ihm wenigstens 5A abverlangen kann. Ist das 
falsch?

Mehr als 5A wird die LED Kette wohl nicht brauchen, oder etwa doch?

: Bearbeitet durch User
von Arduino Fanboy D. (ufuf)


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> Ist das falsch?
Es ist bedenklich!

Schaut man sich die Vgsth an, hat er garantierte 2 bis 4V
Die Kennlinie ist für den Typischen Wert, also für ca 3V Vgsth

Du musst/darfst die ganze Kurve um 1V Vgs nach rechts schieben um um die 
Exemplarstreuungen zu erwischen.
Dann bisste eher bei 3A, als bei 10A

Es kann also sein, dass ein paar Exemplare damit arbeiten.
Aber andere stumpf abrauchen.

: Bearbeitet durch User
von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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> Du musst/darfst die ganze Kurve um 1V Vgs nach rechts
> schieben um um die Exemplarstreuungen zu erwischen.

Danke, da hab ich mal wieder was dazu gelernt.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Stefanus F. schrieb:
> och nciht klar, warum der IRF540 ungeeignet sein soll.

Neben dem Beitrag vom Fanboy spricht ja auch das Oszillogramm für sich. 
Der Peak beim Durchschalten des MOSFet könnte ja ja gar nicht auftreten, 
wenn das Ding richtig einschaltet. Induktivität in der Last würde ja 
beim Abschalten auftreten, hier gibts die Spitze beim Einschalten.
Durch die hochohmige Ansteuerung wird sich auch die Miller-Kapazität 
gegen das Einschalten sträuben. Am besten ist der einfache Ersatz der 
Gate Ansteuerung gegen einen kleinen Vorwiderstand (47-100 Ohm) und der 
echte Logiklevel MOSFet.
Danach werden sich die Probleme verdünnisiert haben.

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