Hallo zusammen,
ich habe hier eine Standart 12V RGB Leiste (mit Wideständen zur
Strombegrenzung) die ich gerne mit einem Arduino steuern (Dimmen,
Farben einstellen) möchte - es ist nur ein halber Meter.
Im Internet ließt man ja vom Standartverfahren "PWM-Dimmung" (mir ist
das im Detail klar wie es geht) - aber auch dass das ganze seitens EMV
eine Katastrophe ist (auch klar).
Was spricht dafür oder dagegen einen "Low-Cost DC-DC" Wandler aufzubauen
- also einfach in Reihe zur LED Leiste eine Spule und eine antiparallele
Freilaufdiode?
Vielen Dank für eure Ideen und sachliche Kritik,
Grüße,
Jonny
PS: Ich hoffe ich bin noch richtig im uC Bereich, sonst verschiebt mich
bitte.
Jonny schrieb:> Was spricht dafür oder dagegen einen "Low-Cost DC-DC" Wandler aufzubauen> - also einfach in Reihe zur LED Leiste eine Spule und eine antiparallele> Freilaufdiode?
Eine Spule und eine Diode machen noch keinen Schaltregler oder was auch
immer du vor hast.
PWM ist sehr einfach umzusetzen, braucht kaum Komponenten (MOSFET,
Widerstände, fertig) und die Firmware dazu ist auch denkbar einfach.
Und was EMV angeht, kann ein Eigenbauschaltregler deutlich mehr Probleme
machen, als PWM.
Jonny schrieb:> Was spricht dafür oder dagegen einen "Low-Cost DC-DC" Wandler aufzubauen> - also einfach in Reihe zur LED Leiste eine Spule und eine antiparallele> Freilaufdiode?
Genau so funktionieren die sog. Constant Current LED Drivers, und da
braucht man sogar keine Widerstände zur Strombegrenzung.
Und ja, ich denke, mit einer kleinen Induktivität und einer
Freilaufdiode kann man die Flanken der PWM-Impulse deutlich
unschädlicher machen.
Muss man probieren.
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Edit:
Z.B.: https://info.pcboard.ca/constant-current-led-driver/
Jonny schrieb:> Was spricht dafür oder dagegen einen "Low-Cost DC-DC" Wandler aufzubauen> - also einfach in Reihe zur LED Leiste eine Spule und eine antiparallele> Freilaufdiode?
Ich bin grundsätzlich gegen reinen PWM-Betrieb und für die Stromglättung
mittels Drossel.
Man muss sich einfach mal vorstellen, was man bei PWM der Umwelt
zumutet. Man erzeugt relativ niederfrequentes "Rechtecklicht". Nur weil
unser Auge das wegintegriert, kann man nicht davon ausgehen, daß das
alle Lebewesen so sehen. Es gibt (noch, obwohl weltweit mit Hochdruck an
ihrer Abschaffung gearbeitet wird) Tiere und Insekten, die sehr viel
schnellere Änderungen als Menschen sehen können. Für die ist das die
Lichthölle. Stell einfach mal die PWM-Frequenz auf 10Hz und schau dir
das bei verschiedenen Stromflusswinkeln eine Weile an, dann weist du was
PWM wirklich bedeutet.
Auch effizienzmäßig ist PWM schlecht. Die LED arbeitet immer mit
höchster Leistung, also mit niedrigster Effizienz. Analog abgedimmt
nimmt die Effizienz deutlich zu, und zwar mehr, als die Verluste in der
sinnvoll dimensionierten Speicherdrossel ausmachen.
Die immer wieder beklagte Farbortverschiebung bei analoger Dimmung tritt
zwar auf, die ist aber idR so gering, daß die gar nicht bemerkt wird,
zumal sich auch das Farbsehen des Menschen mit der Helligkeit stark
verändert ("Nachts sind alle Katzen grau").
Übrigens tritt auch bei reiner PWM-Dimmung eine deutliche
Farbortverschiebung auf, weil die spektrale Zusammensetzung des
LED-Lichts grundsätzlich Temperaturabhängig ist, und sich die
LED-Temperatur auch bei PWM-Dimmung stark ändert.
Jonny schrieb:>> Was spricht dafür oder dagegen einen "Low-Cost DC-DC" Wandler aufzubauen> - also einfach in Reihe zur LED Leiste eine Spule und eine antiparallele> Freilaufdiode?
Was du da beschreibst ist noch kein DC/DC Wandler. Mit diesem Ansatz
wirst du die Stromflanken jedenfalls abschwächen, sodass du EMV
Schwierigkeiten verringerst (ich gehe davon aus, dass du weiterhin PWM
benutzt).
Die LED Stormtreiber bspw. von Analog (Linear Technology) machen das ja
auch nicht anders. Die Schalten dann eben bei dem eingestellten
Peak-Current ab.
Was du mit deiner Vorstellung nicht abdeckst sind:
- Erwärmung der LED + Widerstand --> Anderer Strom --> Andere Helligkeit
- Alterung der LED
Außerdem solltest du darauf achten, dass deine Schaltfrequenz der
Impedanz des ganzen Aufbaus angepasst ist. Ansonsten wird das Dimmen
nicht wirklich funktionieren.
Viel Erfolg,
Mathias
Bei aller Liebe:
Dann muss man aber eine einstellbare/geregelte Stromquelle bauen, keinen
normalen DC/DC-Konverter (der eine Spannungsquelle ist).
Nur dann kann man weit runterregeln ohne das bei 8 von 12V das Licht
ganz aus ist.
Einige fertige KSQ-Chips können per PWM und wahlweise per DC im Sollwert
verstellt werden, z.B. der PT4115.
Nachteil einer solchen Lösung:
Die LED-Streifen sind für Spannung ausgelegt.
Der Controller ist dann für "47cm". Mehr geht nicht weil der Strom pro
LED dann abnimmt. Weniger geht nicht weil der Storm pro LED dann zu hoch
wird.
Man muss also jeden Controller exakt für den jeweiligen Anwendungsfall
auslegen und aufgrund der analogen Steuerung auch noch einzeln
justieren.
Bei PWM:
Dicker FET rein, fertig. 12V/24V? No problemo.
3cm zum testen, 3m für die Anwendung? Ja klar.
Und wegen der Flickerfrequenz: Die kann man ja hoch machen, 200 und mehr
Hz sind völlig problemlos.
Wenn sich Tiere dran stören würden, müssten Hunde, Katzen, Vögel,
Hamster, Fische (besonders die, mit den Kunstsonnen!) und was weiß ich
noch schon seit 1950 irre sein, mit den ganzen TV-Strahlen, die
zunehmend auf sie einleuchten.
Die Katze meiner Eltern liegt auch sehr gerne neben der 20kHz PWM der
Wohnzimmerlampe. Weder das Flimmern noch das Quietschen stören - nur am
Anfang gab's einen interessierten Blick in Richtung Lampe.
Viel Theorie und viele Erklärungen. Meine Theorie, analog gedimmt bringt
mehr Effizienz, bedeutet aber, dass Du Deine Stromversorgung dimmen
kannst. Geht aber mit fast jedem modifizierten Netzteil. PWM hat bei den
Spannungen, Frequenzen und Strömen kein EMV Problem. Ich favorisiere
Frequenzen > 1kHz, da flimmert nichts und ob sich da ein Insekt dran
stört, das ich eh nicht in der Wohnung haben möchte, positiv.
Eine Induktivität + Diode + PWM ist schon ein Step-Down-Wandler, für
LEDs aber nicht nötig, für Lüfter schon.
Ergo: ich nehme PWM mit 14 Bit, da kann ich butterweich dimmen
die Betriebsspannung sollte den LEDs angepasst werden
ArnoR schrieb:> Man muss sich einfach mal vorstellen, was man bei PWM der Umwelt> zumutet. Man erzeugt relativ niederfrequentes "Rechtecklicht". Nur weil> unser Auge das wegintegriert, kann man nicht davon ausgehen, daß das> alle Lebewesen so sehen.
Nun klapp mal deinen erhobenen Zeigefinger wieder ein. Wenn du hier
sowas predigst, mußt du konsequenterweise auf jegliche künstliche
Beleuchtung verzichten. Oder was glaubst du, warum nachtaktive Insekten
sich wie bekloppt an Lichtquellen sammeln? Weil sie das so toll finden?
Nein, weil sie völlig die Orientierung verlieren. Und die Flimmerkiste,
vor der du gerade sitzt, flimmert auch nur für dich nicht. Lass mal die
Kirche im Dorf.
ArnoR schrieb:> Nur weil unser Auge das wegintegriert, kann man nicht davon ausgehen,> daß das alle Lebewesen so sehen. Es gibt (noch, obwohl weltweit mit> Hochdruck an > ihrer Abschaffung gearbeitet wird) Tiere und Insekten,> die sehr viel schnellere Änderungen als Menschen sehen können.> Für die ist das die Lichthölle.
Na, jetzt mal Ball flach halten! Laut diesem sehr ausführlichen Paper
(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4038456/) ist die höchste
bekannte flicker fusion frequency für Lebewesen bei 400Hz, und neben
dieser einsamen Spitze liegen alle anderen Insekten und Tiere bei <=
240Hz. Wenn er also z.B. 500Hz PWM-Frequenz verwendet, ist alles im
grünen Bereich.
Ansonsten stimme ich dir zu dass die (Weißpunkt-)verschiebung bei LEDs
eher Geschmackssache ist, und wenn er eh RGB ohne W dimmt, ist es eh
egal ob die Farben auf diese oder andere Weise unnatürlich aussehen.
Jonny schrieb:> Was spricht dafür oder dagegen einen "Low-Cost DC-DC" Wandler aufzubauen> - also einfach in Reihe zur LED Leiste eine Spule und eine antiparallele> Freilaufdiode?
Und? Was genau spricht jetzt dagegen?
Philipp G. schrieb:> Jonny schrieb:>> Was spricht dafür oder dagegen einen "Low-Cost DC-DC" Wandler aufzubauen>> - also einfach in Reihe zur LED Leiste eine Spule und eine antiparallele>> Freilaufdiode?>> Und? Was genau spricht jetzt dagegen?
Dass es keinen Sinn macht.
Damit die Spule was bringt und nicht nur 99% der Zeit in Sättigung
rumhängt (oder so groß wie ein Netztrafo wird), muss deine PWM-Frequenz
deutlich höher sein, ich sag mal 100kHz aufwärts. Das heißt dann
MOSFET-Treiber, höhere Schaltverluste, grottige PWM-Auflösung (oder
analoge PWM, was wieder extra Komponenten bedeutet).
Außerdem hat eine D-L-C-Kombination mit einem beliebigen Elko am Ausgang
deutlich weniger Ripple als eine gleiche D-L-Kombination mit nur Diode
und Induktivität. Andersrum heißt dass dass du für gleiches Ripple eine
deutlich kleinere Induktivität verwenden kannst. Also wenn schon
billiger Step-Down dann richtig!
Also - eine billigst-Lösung mit nur einer zusätzlichen Diode und nem
MOSFET bringt nix, aber das hättest du acuh mit ner 5-Minuten-Simulation
herausfinden können.
ArnoR schrieb:> Auch effizienzmäßig ist PWM schlecht. Die LED arbeitet immer mit> höchster Leistung, also mit niedrigster Effizienz. Analog abgedimmt> nimmt die Effizienz deutlich zu, und zwar mehr, als die Verluste in der> sinnvoll dimensionierten Speicherdrossel ausmachen.
Kannst du das mal genauer ausführen und definieren? Von welcher
Effizient sprichst du (Lichtausbeute, Gesamtsystem, LED alleine,
Lichtleistung, ...). Wie ist deine Definition von "Analog"?
Test schrieb:> ArnoR schrieb:>> Auch effizienzmäßig ist PWM schlecht. Die LED arbeitet immer mit>> höchster Leistung, also mit niedrigster Effizienz. Analog abgedimmt>> nimmt die Effizienz deutlich zu, und zwar mehr, als die Verluste in der>> sinnvoll dimensionierten Speicherdrossel ausmachen.>> Kannst du das mal genauer ausführen und definieren? Von welcher> Effizient sprichst du (Lichtausbeute, Gesamtsystem, LED alleine,> Lichtleistung, ...). Wie ist deine Definition von "Analog"?
Das würde mich auch mal interessieren was "Analog abgedimmt" bedeutet ?
Und generell zu sagen, dass PWM "effizienzmäßig schlecht" ist kann von
Grund auf schon mal nicht richtig sein... (Frequenz, Schaltverluste,
Spannung, Strom). Ich lass mich allerdings gerne vom Gegenteil
überzeugen.
VG,
Mathias
Mathias _. schrieb:> Das würde mich auch mal interessieren was "Analog abgedimmt" bedeutet ?
Normalerweise wird die Helligkeit von LEDs über den (konstanten)
Strom gesteuert.
> Und generell zu sagen, dass PWM "effizienzmäßig schlecht" ist kann von> Grund auf schon mal nicht richtig sein.
Jedes zusätzliche Bauelement im Strompfad verschlechtert den
Wirkungsgrad. Dazu kommen die Schaltverluste.
Georg M. schrieb:> Genau so funktionieren die sog. Constant Current LED Drivers, und da> braucht man sogar keine Widerstände zur Strombegrenzung.
Und wie soll der Treiber dann den Strom regeln?
Einen Widerstand als Shunt wird man i.A. schon brauchen.
Wolfgang schrieb:> Und wie soll der Treiber dann den Strom regeln?> Einen Widerstand als Shunt wird man i.A. schon brauchen.
Den kann man ja umschalten.
Philipp G. schrieb:> Jonny schrieb:>> Was spricht dafür oder dagegen einen "Low-Cost DC-DC" Wandler aufzubauen>> - also einfach in Reihe zur LED Leiste eine Spule und eine antiparallele>> Freilaufdiode?>> Und? Was genau spricht jetzt dagegen?
Dass du ihn sehr groß bauen musst, wenn du mit einem µC steuern willst.
Aber Spule+Freilaufdiode würde ich trotzdem verbauen - um nämlich die
Steilheit der Flanken zu dämpfen. Da tun es dann auch kleine Spulen.
Alternativ kann man auch einen größeren MOSFET nehmen und den über einen
Widerstand am Gate bremsen - aber da bin ich nicht wirklich Fan von,
weil man dann einiges an Energie verheizt.
Die PWM ist eigentlich eine der effizientesten Dimmungen, denn damit
liegt fast die komplette Spannung über der LED an. Bei einer
OPV-FET-Stromreglung ist die Restspannung über dem FET und wird dort
verbrannt.
Nun ein DC-DC ist sehr interessant. Nun habe ich mir eine Lampe
angesehen und musste feststellen, dass dieser Schaltkreis auch wieder
über eine PWM dimmt. Dabei hätte ich erwartet, dass der DC-DC einfach
konstant auf einen niedrigeren Strom regelt.
Also erstmal vielen Dank für die Antworten. Eine leichte
Helligkeitsverschiebung oder Farbverschiebung ist mir tatsächlich egal.
@Alle die das Tierwohl im Auge haben: Ich werde auf jeden Fall ab 500Hz
dimmen. Und wenn ich dann Insekten im Zimmer vertreibe - gerne. Dafür
baue ich dann aber auch ein Insektenhotel in den Garten - versprochen :)
@Philipp: Danke für den Hinweis dass ein C sehr sinnvoll ist. Wusste ich
auch- an einem 10ct Kondensator wird es schon nicht fehlen. Der wird
übrigens in beiden Fällen verbaut ;) Low Cost ziehlt eher auf wenig
Bauteile, keine Regelung, einfache Steuerung (...) ab.
Ich glaube ihr konntet mir zusammen die Frage gut beantworten: Ich
brauche für eine LED Dimmung keine hohe Frequenz - die angedachten 10kHz
sind Unfug. Ich dimme mit ca 500Hz, das sehe weder ich noch die Bienen
und dann habe ich auch eigentlich keine EMV Probleme zu erwarten.
Ansonsten kann ich ja die Flankensteilheit reduzieren.
Wirkungsgrad - keine Ahnung ob man es in der Leistungsklasse schaffen
kann besser als eine einfache PWM zu werden. 10% an der LED gewonnen, 5%
an der Diode und 5% an der Spule verloren.... Vorallem: Wirkungsgrad -
dann muss man wohl erstmal auf die LED Stripes schauen und die
Widerstände entfernen^^ Aber dann bitte nurnoch stromgeregelt...
Philipp M. schrieb:> Außerdem hat eine D-L-C-Kombination mit einem beliebigen Elko am Ausgang> deutlich weniger Ripple als eine gleiche D-L-Kombination mit nur Diode> und Induktivität. Andersrum heißt dass dass du für gleiches Ripple eine> deutlich kleinere Induktivität verwenden kannst. Also wenn schon> billiger Step-Down dann richtig!
Um das in Zahlen zu fassen, eine Simulation:
100kHz PWM-Frequenz, 100µH Spule, Ausgang: 6V/200mA (resistive Last, war
zu faul ne Diode zu simulieren).
Ohne Kondensator: 8Vpp Ripple
Mit 10µF parallel zur Last: 39mVpp Ripple
-> ein Faktor 200 reduzierter Ripple
Philipp M. schrieb:> Damit die Spule was bringt und nicht nur 99% der Zeit in Sättigung> rumhängt (oder so groß wie ein Netztrafo wird), muss deine PWM-Frequenz> deutlich höher sein, ich sag mal 100kHz aufwärts. Das heißt dann> MOSFET-Treiber, höhere Schaltverluste, grottige PWM-Auflösung (oder> analoge PWM, was wieder extra Komponenten bedeutet).
Um das in Zahlen zu fassen, eine Rechnung.
max. Spulenstrom < 2A, 100µH Spule, 12V Versorgung, critical
conduction-Betrieb: 100µH * 2A / 12V = 16,6µs Anstiegszeit = 30kHz
Mindestfrequenz. Als Hausnummer.
Jonny schrieb:> Wirkungsgrad - keine Ahnung ob man es in der Leistungsklasse schaffen> kann besser als eine einfache PWM zu werden. 10% an der LED gewonnen, 5%> an der Diode und 5% an der Spule verloren.... Vorallem: Wirkungsgrad -> dann muss man wohl erstmal auf die LED Stripes schauen und die> Widerstände entfernen^^ Aber dann bitte nurnoch stromgeregelt...
Nebenbei - über welche Ströme/Leistungen reden wir denn? 5M RGB mit
5050er LEDs @ 3x20mA pro 5cm?
Erstmal danke dass du dir die Mühe gemacht hast das Nachzusimuleren!
Wir reden hier tatsächlich nur über max. 500mA, 12V je Kanal.
Von Frequenzen in dem Bereich bin ich ausgegangen - auch für PWM. Das
war mein entscheidender Gedankenfehler....
Wolfgang schrieb:> Und wie soll der Treiber dann den Strom regeln?> Einen Widerstand als Shunt wird man i.A. schon brauchen.
Klar, es gibt kein Wunder. Aber der Strommesswiderstand kann deutlich
kleiner sein als der LED-Vorwiderstand.
Test schrieb:> ArnoR schrieb:>> Auch effizienzmäßig ist PWM schlecht. Die LED arbeitet immer mit>> höchster Leistung, also mit niedrigster Effizienz. Analog abgedimmt>> nimmt die Effizienz deutlich zu, und zwar mehr, als die Verluste in der>> sinnvoll dimensionierten Speicherdrossel ausmachen.>> Kannst du das mal genauer ausführen und definieren? Von welcher> Effizient sprichst du (Lichtausbeute, Gesamtsystem, LED alleine,> Lichtleistung, ...).
Ich nehme mal als Beispiel eine OSRAM GoldenDragon plus, weil ich zu der
so ein schönes Datenblatt habe.
Die LED hat typ. bei 600mA eine Flußspannung von 3,4V, die Leistung ist
somit 2,04W. Wenn man das als Betriebswerte für PWM nimmt, bekommt man
bei 50%-PWM den halben Lichtstrom bei halber LED-Leistung, also 1,02W.
Wenn man die LED aber mit Gleichstrom betreibt und den Strom soweit
reduziert, daß wieder der halbe Lichtstrom emittiert wird, dann bekommt
man das bei 250mA und 3,05V, also nur 0,76W. Bei noch kleineren Strömen
ist der Effekt noch deutlicher. PWM-Betrieb bei 50% Lichtstrom braucht
also ~33% mehr Leistung als Gleichstrombetrieb bei 50% Lichtstrom.
ArnoR schrieb:> Test schrieb:>> ArnoR schrieb:>>> Auch effizienzmäßig ist PWM schlecht. Die LED arbeitet immer mit>>> höchster Leistung, also mit niedrigster Effizienz. Analog abgedimmt>>> nimmt die Effizienz deutlich zu, und zwar mehr, als die Verluste in der>>> sinnvoll dimensionierten Speicherdrossel ausmachen.>>>> Kannst du das mal genauer ausführen und definieren? Von welcher>> Effizient sprichst du (Lichtausbeute, Gesamtsystem, LED alleine,>> Lichtleistung, ...).>> Ich nehme mal als Beispiel eine OSRAM GoldenDragon plus, weil ich zu der> so ein schönes Datenblatt habe.>> Die LED hat typ. bei 600mA eine Flußspannung von 3,4V, die Leistung ist> somit 2,04W. Wenn man das als Betriebswerte für PWM nimmt, bekommt man> bei 50%-PWM den halben Lichtstrom bei halber LED-Leistung, also 1,02W.> Wenn man die LED aber mit Gleichstrom betreibt und den Strom soweit> reduziert, daß wieder der halbe Lichtstrom emittiert wird, dann bekommt> man das bei 250mA und 3,05V, also nur 0,76W. Bei noch kleineren Strömen> ist der Effekt noch deutlicher. PWM-Betrieb bei 50% Lichtstrom braucht> also ~33% mehr Leistung als Gleichstrombetrieb bei 50% Lichtstrom.
Das ist mir noch nie aufgefallen, stimmt aber natürlich. Wenn man sich
eine ideale LED vorstellt:
1. Lichtstrom ist proportional zum Strom
2. Spannung über der LED steigt logarithmisch mit dem Strom
3. Lichtstrom *2 -> Strom *2 > Spannung *log_x(2) -> Verlustleistung
*2*log_x(2) -> Effizienz "Lichtstrom pro Leistung" sinkt.
Bei einer realen LED wird es noch schlechter:
- ohmsche Leitungsverluste
- Der Lichtstrom steigt nicht so stark wie der Strom
- die Leuchteffizienz sinkt mit der Junction-Temperatur
Die interessante Frage ist, ab wann sich das energietechnisch und ab
wann kostentechnisch rentiert:
ArnoR schrieb:> PWM-Betrieb bei 50% Lichtstrom braucht also ~33% mehr Leistung als> Gleichstrombetrieb bei 50% Lichtstrom.
Krass, d.h. bei ganz alltäglichen Anwendungen
(Ultra-Mega-Wow-hell-Taschenlampe auf "normale" 50% Helligkeit gedimmt)
gibt das schon ein Drittel(!) mehr Laufzeit.
Jens M. schrieb:> Dafür verschiebt sich die Farbe, und die Schaltung wird weit komplexer.
Wenn du einfach nur Licht brauchst um was zu sehen oder simple
Effektbeleuchtung machst ist die Farbverschiebung nicht so schlimm. Und
wenn wir über Effizienz reden gibt es hoffentlich eh schon eine
geschaltete KSQ und keine lineare, d.h "weit komplexer" beschränkt sich
auf "Sollwert der Stromregelschleife kontinuierlich einstellen statt
hart schalten"
Jens M. schrieb:> Dafür verschiebt sich die Farbe
Unmerklich wenig, und bei PWM auch, wurde oben schon diskutiert. Im
Anhang mal eine Messung dazu. Ist schon uralt, heutige LEDs sind da
besser.
Jens M. schrieb:> und die Schaltung wird weit komplexer.
Ja stimmt, sind 2 bzw. 3 einfache Bauteile (L, D, C) mehr.
Die Farbverschiebung ist LED abhängig. Manche haben's schlimm, manche
nicht.
Aber die einfache Spannungsglättung sorgt doch für ne schräge
PWM->Helligkeit-Beziehung, oder?
Und als Stromquelle gibt sich das Problem der exakten Anpassung des
Stellers zur LED.
Die 3 Teile da dran zu frickeln ist das einfachste...
