Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik PWM als Spannungswandler


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von WWhite (Gast)


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Ich hab heute mal eine Frage bezüglich PWM.
Ich hab bereits in einem Beispielaufbau eine LED (5v) mit einem Arduino 
langsam an/aus gehen lassen, dafür habe ich PWM verwendet.

Nun habe ich PWM so verstanden, dass durch das verändern des 
Tastverhältnis ja die Spannung immer kurzzeitig anliegt und dann wieder 
entfernt wird, so jedoch aufgrund der Trägheit diese Phasen des 
Spannungsabfalls-/aufbaus genutzt werden um mittels einer konstanten 5V 
Spannung die LED beispielsweise mit einem Tastverhältnis (3 an, 1 aus) 
mit 3,75V zu versorgen und so zu dimmen.

Nun habe ich mir folgende Frage gestellt. Angenommen ich hätte einen 
Microcontroller mit 200V Output und eine 5V-LED. Wenn ich nun das 
Tastverhätlnis auf (1:40 (an;aus)) einstellen würde, würden ja 
theoretisch ein Durchschnitt von 5V an der Diode anliegen. Jedoch immer 
kurzzeitig 200V an die Diode geschickt werden. Würde dies funktionieren 
oder die LED sofort zerstören?

Ich hab bereits in einem anderen Topic gelesen, dass jemand mittels PWM 
einen ESP8266 (3.3V) mithilfe eines Arduino (5V-Output) versorgt hat und 
dazwischen einen ElKo eingebaut hat um die Spannungsspitzen/-tiefs zu 
glätten.

PS: Keine Angst ich werde keine LED an 200V anschließen. Geht mir um die 
Theorie.

Grüße

von HildeK (Gast)


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WWhite schrieb:
> Nun habe ich mir folgende Frage gestellt. Angenommen ich hätte einen
> Microcontroller mit 200V Output und eine 5V-LED. Wenn ich nun das
> Tastverhätlnis auf (1:40 (an;aus)) einstellen würde, würden ja
> theoretisch ein Durchschnitt von 5V an der Diode anliegen. Jedoch immer
> kurzzeitig 200V an die Diode geschickt werden. Würde dies funktionieren
> oder die LED sofort zerstören?

Ja, auf jeden Fall.
- Die LED wird nicht mit einer Spannung betrieben, sondern mit einem 
Strom.
Sie geht also auch bei den 5V kaputt (immer vorausgesetzt, die Quelle 
sei ideal).
- eine PWM in deiner vorgestellten Art müsste einen Vorwiderstand haben, 
so dass deren Maximalstrom für die LED bei 200V nicht überschritten 
wird.
- Mit der PWM kannst du dann den mittleren Strom entsprechend 
reduzieren, das zeigt sich dann in einer Helligkeitsänderung.

von Sebastian R. (sebastian_r569)


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WWhite schrieb:
> genutzt werden um mittels einer konstanten 5V
> Spannung die LED beispielsweise mit einem Tastverhältnis (3 an, 1 aus)
> mit 3,75V zu versorgen und so zu dimmen.

Genau das ist dein Denkfehler. Die RMS-Spannung ist dann vielleicht 
entsprechend geringer, aber eine LED ist schnell genug, als dass sie in 
den An-Phasen des PWMs vollständig eingeschaltet und in den Aus-Phasen 
vollständig ausgeschaltet ist.

Das Dimmen erfolgt dabei nicht über die Regulierung der RMS-Spannung 
über die LED, sondern über die Trägheit des Auges, da die LED nur x% der 
Zeit eingeschaltet ist.

Die LED ist dabei entweder vollständig eingeschaltet oder vollständig 
ausgeschaltet. Dementsprechend braucht es auch bei PWM einen 
entsprechenden Vorwiderstand oder eine Konstantstromquelle mit 
PWM-Eingang. Dein 200V-Beispiel würde die LED zerstören, da sie die kurz 
die vollständige Spannung sieht und dazu ziemlich viel Strom fließen 
lässt.

Mit 5V an einer normalen LED mag es vielleicht gerade noch so 
funktionieren, da die Überlastung während der Einschaltdauer kurz genug 
ist, damit die Wärme in der AUsschaltphase abgeführt werden kann. Für 
optimalen Betrieb braucht es dennoch einen Vorwiderstand, der so 
dimensioniert ist, als sei die LED dauerhaft an 5V (was bei 100% PWM ja 
auch der Fall ist)

Mit einem RC-Tiefpass kann man aus dem PWM eine echte, einstellbare 
Gleichspannung machen. Aber auch damit würde man eine LED nicht 
betreiben, da LEDs über den Strom und nicht über die Spannung geregelt 
werden.

von WWhite (Gast)


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Vielen Dank für die schnellen Antworten.
Ich hätte erwartet es wäre die Trägheit der LED, da ich dachte, dass 
wenn die LED immer vollständig an geht auch das für uns Menschen egal ob 
sie dann 1/3 an ist oder 2/3 an ist für uns die Helligkeit vollständig 
wahrgenommen wird und somit der Effekt des "dimmen" nicht ersichtlich 
wäre.

Jedoch hab ich einfach mal kurz die "Slowmo"-Kamera meines Handys 
verwnedet und konnte da das an-/aus Schalten sehr eindeutig erkennen.

Vielen Dank :)

von MaWin (Gast)


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WWhite schrieb:
> Nun habe ich PWM so verstanden, dass durch das verändern des
> Tastverhältnis ja die Spannung immer kurzzeitig anliegt und dann wieder
> entfernt wird,

Ja.

WWhite schrieb:
> so jedoch aufgrund der Trägheit diese Phasen des
> Spannungsabfalls-/aufbaus genutzt werden um mittels einer konstanten 5V
> Spannung die LED beispielsweise mit einem Tastverhältnis (3 an, 1 aus)
> mit 3,75V zu versorgen

Ein klares NEIN.
Es liegen tatsächlich kurz 5V an, und wenn das wirklich eine 3.75V LED 
ist, geht sie kaputt.

Merke: PWM spart nicht den Vorwiderstand.
Merke2: Eine LED wird nicht mit einer festen Spannung versorgt.

Bei der 5V LED an 200V fliesse kurz 10000A (wenn die 200V das hergeben) 
und die LED platzt.

Der auf 3.3V befindliche Elko wenn er an 5V geklemmt wird lässt 
plötzlich sehr viel Strom in sich hinein fliessen, alles was der 5V 
Ausgang hergibt, es ist quasi ein Kurzschluss zwischen 5V und 3.3V, er 
lädt sich schnell auf, die Spannung steigt, der ESP geht kaputt selbst 
wenn DIE MITTLERE Spannung bei 3.3V liegt.

PWM ist kein Weg, einen Spannungsreglrr zu umgehen.

von Sebastian R. (sebastian_r569)


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WWhite schrieb:
> Ich hätte erwartet es wäre die Trägheit der LED,

LEDs sind nur nicht träge ;)

Wenn du mal ne PWM-gedimmte LED-Taschenlampe oder ähnliches hast 
(Arduino mit LED,...), kannst du sie mal schnell hin und her bewegen, 
dann sieht dein Auge nicht einen kontinuierlichen Strich, sondern 
einzelne Punkte, an denen die LED an ist.

Klappt auch bei LED-Rück/Bremsleuchten an Autos, wenn man die Augen 
schnell hin und her bewegt, sieht man das PWM.

von Exponentiell (Gast)


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MaWin schrieb:
> Bei der 5V LED an 200V fliesse kurz 10000A

Nein, noch viel mehr. Die Diodenkennlinie ist exponentiell.
29mA*exp((200-3,75)/0,025) ergeben was in der Größenordnung 10^3000A - 
auch wenn die Widerstände das natürlich begrenzen würden.

von Guido Körber (Gast)


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Es ist die Trägheit des Auges, die aus dem Flimmern eine gernigere 
Helligkeit macht. Oberhalb von ca. 500 Hz wird die Wahrnehmbarkeit des 
Flimmerns durch PWM realtiv gering, ab etwa 2 kHz kann man davon nichts 
mehr wahrnehmen.

von foobar (Gast)


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> Angenommen ich hätte einen
> Microcontroller mit 200V Output und eine 5V-LED. Wenn ich nun das
> Tastverhätlnis auf (1:40 (an;aus)) einstellen würde, würden ja
> theoretisch ein Durchschnitt von 5V an der Diode anliegen. Jedoch immer
> kurzzeitig 200V an die Diode geschickt werden. Würde dies funktionieren
> oder die LED sofort zerstören?

Wie andere schon schrieben, wird dabei die LED zerstört.

> Ich hab bereits in einem anderen Topic gelesen, dass jemand mittels PWM
> einen ESP8266 (3.3V) mithilfe eines Arduino (5V-Output) versorgt hat und
> dazwischen einen ElKo eingebaut hat um die Spannungsspitzen/-tiefs zu
> glätten.

Ja, mit einem Kondensator (parallel zur Last) kann man die Spannung 
glätten, und Konstantspannung ist auch das, was ein Mikrocontroller 
braucht.  Wie andere schon schrieben, möchte eine LED einen konstanten 
Strom und Strom kann man mit einer Spule (in Serie zur Last) glätten. 
Damit könnte man tatsächlich ein 200V-PWM-Signal zum Betrieb einer 
3V-LED benutzen.

Vergleich es mal mit einem Abwärtswandler[1] (Bild oben).  Das 
PWM-Signal ersetzt den Schalter S und die Diode D.

[1] https://de.wikipedia.org/wiki/Buck_Converter

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