Hallo, ich brauche für einen LED-PWM-Dimmer pro PWM-Ausgangskanal einen MOSFET (N-Kanal). Erste Experimente mit einem µC sind gut gelaufen, ein Dual-White-LED-Streifen mit 24 V lässt sich sauber in Helligkeit und Farbe einstellen. Jetzt kommt die Auswahl geeigneter Komponenten für einen robusteren Prototyp mit voller Leistung. Kurz, warum ich keinen fertigen Dimmer kaufe (die Frage kommt sonst bestimmt): Ich mag kein flimmerndes Licht und ich will das in ein eigenes Steuerungssystem integrieren. Meine PWM-Frequenz liegt bei 2,5 kHz oder später evtl. 4 kHz (EMV-Messung steht noch aus) und die Fading-Kurven sind auf gleichmäßige Übergänge optimiert. Außerdem gehen die meisten Dimmer nur von 10 bis 100 %, nicht darunter. An sanftes Einschalten ist da nicht zu denken! Bislang habe ich zum Test einen ATtiny1614 mit dem MOSFET IRLZ44N verwendet. Da der Aufbau auf einem Breadboard erfolgt, kann ich die 5 m LED-Streifen mit insgesamt ca. 70 W nicht voll ansteuern. (Es geht, aber nach wenigen Sekunden erreichen die Drahtbrücken unschöne Temperaturen.) Der MOSFET wurde bei ca. 50 % PWM kaum warm. Hier hat sich aber herausgestellt, dass der viel zu langsam schaltet. Um gerade am dunklen Ende noch saubere Helligkeitsstufen zu bekommen, brauche ich eine hohe Schaltfrequenz. Der ATtiny macht max. 20 MHz, was bei 2,5 kHz am Ende 8000 Helligkeitsstufen ergibt. Dieser Dynamikumfang reicht gerade so aus, um ein Nachtlicht sanft einfaden zu können, aber auch den Raum hell zu erleuchten. Aber die Pulsdauer liegt bei Stufe 1 nur noch bei 50 ns (1 / 20 MHz). In dieser Zeit muss der MOSFET auf und wieder zu machen. Das kann der IRLZ44N nicht, der braucht die 50 ns fürs Schalten und man sieht erst ab Stufe 2 (100 ns) was ernsthaft leuchten. Also suche ich nun schnellere MOSFETs. Bei der Suche habe ich gelernt, dass für meinen Zweck R_DS(on) eigentlich irrelevant ist [1]. Wichtiger ist das Diagramm „Safe Operating Area (SOA)“ und davon die DC-Kurve. Der Dimmer soll ja bei 100 % auch dauer-an schalten können. Und hier schaut's grade nicht so gut aus. Der IRLZ44N müsste demnach bei 24 V etwa 4 A aushalten. An diese Grenze bin ich noch nicht gestoßen, deshalb hat er wohl auch überlebt. Ich rechne pro PWM-Kanal mit einem LED-Streifen-Strom von bis zu 2 A (eine Farbe, 7 m Länge). 1 A (ca. 3 m) ist das Minimum, das laufen muss. Außerdem möchte ich ausrechnen, welche Schaltzeiten ich brauche. Wenn ich die Angaben richtig verstehe, hätte ich folgenden Zusammenhang: Schaltfrequenz sei 20 MHz, t_pulse damit 50 ns. Ich nehme einfach mal an, dass die LEDs ab 75 % MOSFET-Durchschaltung „hell“ sind. Die Zeit, die der MOSFET effektiv durchschaltet ist dann: t_on = t_pulse + t_d(OFF) + t_f / 4 - t_d(ON) - 3/4 * t_r Dabei ist mir völlig egal, wann genau der MOSFET schaltet, wichtig ist nur, wie lange er für das kürzest mögliche Steuersignal (Puls) einschaltet. Der IRLZ44N kommt hier auf 6 ns, also fast nichts, deshalb bleibt es dunkel. (Ich kann diese Berechnung als Excel-Tabelle bereitstellen falls gewünscht.) Erschwerend kommt dazu, dass ich später nur mit etwa 3,3 V TTL-Pegel schalten kann (V_GS), da ich wegen der Frequenz und den verfügbaren PWM-Ausgängen wohl auf einen ESP32 wechseln werde. Dort kann ich bis 80 MHz takten (t_pulse = 12,5 ns) und die dunklen Stufen noch besser differenzieren. Außerden gibt es bis zu 16 statt 3 PWM-Ausgänge, so dass ich mehrere kleinere Beleuchtungszonen (mit niedrigerem Strom) mit einem Controller bedienen kann. Gefunden habe ich folgendes: • Infineon IPP180N10N3_G [2], der wohl noch 1 A aushalten müsste, wenn ich das richtig sehe. Weniger würde ich für meinen Anwendungsfall nicht mehr akzeptieren. Dafür schaltet er wohl sehr schnell, die Formel ergibt 49 ns, praktisch unverzerrt vom µC-Signal. • TI CSD18537NKCS [3] (bis 60 V), müsste 2 A aushalten und schaltet auch schnell (t_on ab 57 ns). • TI CSD18504KCS [4] (ähnlich, bis 40 V, V_GS(th) ist aber deutlich niedriger = besser für mich?), müsste 1,5 A aushalten. SMD-MOSFETs haben deutlich niedrigere Grenzen, so dass ich die wohl nicht gebrauchen kann. Das Parallelschalten von MOSFETs, um höhere Ströme auszuhalten, habe ich noch gar nicht weiter erforscht. Wäre das hier sinnvoll? Später soll der Dimmer natürlich in einem Gehäuse eingebaut werden, das irgendwo in einer Zwischendecke überleben können müsste. Jetzt würde ich gerne von erfahreneren Elektronikentwicklern wissen, ob ich hier nur Stuss erzählt habe oder ob mein Verständnis dafür ausreicht, so ein Gerät zu bauen. :-) Quellen: [1] https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-ApplicationNote_Linear_Mode_Operation_Safe_Operation_Diagram_MOSFETs-AN-v01_00-EN.pdf?fileId=db3a30433e30e4bf013e3646e9381200 [2] https://www.mouser.de/datasheet/2/196/Infineon-IPP180N10N3_G-DS-v02_02-en-1226239.pdf [3] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/csd18537nkcs.pdf [4] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/csd18504kcs.pdf
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Klar. In 50 ns nen FET triggern ohne Gate-Treiber mit den paar mA eines µCs. Hast du das schonmal durchgerechnet? Was hat der FET für ne Gateladung? 1nC? :D
Uff und dann noch n FET gewählt der sein Plateau bei 5V hat.... :(
Yves G. schrieb: > insgesamt ca. 70 W nicht voll ansteuern. (Es geht, aber > nach wenigen Sekunden erreichen die Drahtbrücken unschöne Temperaturen. Dann sind die Drahtbrücken zu dünn... Und wieso mit 20MHz eine PWM?
Yves G. schrieb: > Meine PWM-Frequenz liegt bei > 2,5 kHz oder später evtl. 4 kHz Mani W. schrieb: > Und wieso mit 20MHz eine PWM? Merkst du was?
Yves G. schrieb: > insgesamt ca. 70 W Wären bei 24V ca 3A. Yves G. schrieb: > Der IRLZ44N müsste demnach bei 24 V etwa 4 A aushalten Nein, du hast die SOA Kurve nicht verstanden. Er hält problemlos 24V bei 0A und 0.04V bei 4A aus Yves G. schrieb: > Aber die Pulsdauer liegt bei Stufe 1 nur noch bei 50 ns (1 / 20 MHz). In > dieser Zeit muss der MOSFET auf und wieder zu machen. Nein. Es reicht wenn er bei 200ns in 50ns auf und in 50ns zu macht. Dann sind die LEDs auch 200ns ein. Egal ob Stufe 1 nun bei 1 oder 2 oder 3 der PWM beginnt. Und deine LED ist in 50ns auch nicht an oder aus. Yves G. schrieb: > Ich rechne pro PWM-Kanal mit einem LED-Streifen-Strom von bis zu 2 A Kinderkram. Und das ohne Einschaltspitzenströme. Schafft schon ein SOT23 wie AO3404 bei minimmaler Gateladung. ABER: Bei Kurzschluss oder Überlastung ist er kaputt. Dss widerspricht: Yves G. schrieb: > für einen robusteren Prototyp Robust heisst kurzschlusssicher. Und dss heisst entweder ein Netzteil mit getrennter Versorgung nur der LEDs und 4A Strombegrenzung, oder einen protected low side switch wie HitFet (langsam) oder eine eigene Schaltung, die den PWM Impuls sofort (in 50ns) abbricht wenn der Strom überschritten wird. Du hast noch einen weiten Weg vor dir, die PWM in der du dich gerade verzettelst ist die kleinste Hürde.
Die Spinnerei mit 4kHz würde ich von Beginn weg lassen: Das bringt für die Flimmerfreiheit gar nix. 1kHz PWM reicht aus, mit 8k Stufen sind das also 1,25usec als kleinste Puls-Länge; das ist technisch noch ohne großen Aufwand machbar. Zusätzlich könntest Du den Stromverlauf mittels Spule und entsprechender Freilaufdiode noch glätten; überschlagsmäßig gerechnet: R_eff = 24V²/70W = 8,3 Ohm PWM=1kHz => T = 160usec => L > 160usec*8,3 Ohm = 1.3mH. Als MOSFETs bieten sich an: FDP8447L: 17nC @ 5V, 9mOhm @ 5V FDP8880: 12nC @ 5V, 10 mOhm @ 5V Letzterer ist bzgl. seiner Qgs am interessantesten (entspricht eff. 2,4nF). Für o.a. 1,25usec ist eine Schaltzeit < 400nsec wichtig, d.h. ein Treiber-Widerstand von Rsrc < 400nsec/2,4nF=166 Ohm. Das könnte evtl. schon ein einzelner Ausgang am uC schaffen; wenn nicht, dann evtl. einige pins parallel schalten oder mit der PWM mehrere Logik-Puffer (7404 o.ä.) parallel schalten und den MOSFET damit treiben.
Newton schrieb: > Uff und dann noch n FET gewählt der sein Plateau bei 5V hat.... :( (Was auch immer das bedeutet.) Ich habe leider noch keine Produktsuche gefunden, die sowas als Abfragekriterium versteht. Und es erscheint mir nicht zielführend, manuell die Diagramme in den unterschiedlichsten Datenblättern von zig Tausenden Transistoren zu durchsuchen. MaWin schrieb: > Nein, du hast die SOA Kurve nicht verstanden. Ich habe jetzt zweimal gehört, dass ich diese Kurve nicht verstanden habe. Das beantwortet zwar dankenswerterweise eine meiner Fragen, hilft mir jedoch leider auch nicht weiter. > Er hält problemlos 24V bei 0A und 0.04V bei 4A aus Also in dem Datenblatt des IRLZ44N, das mir vorliegt, liegen 0 A und 0,04 V außerhalb der Skala. Ich kann deine spärlich erklärte Aussage daher leider nicht nachvollziehen oder daran mein Verständnis der SOA verbessern. > Nein. Es reicht wenn er bei 200ns in 50ns auf und in 50ns zu macht. Dann > sind die LEDs auch 200ns ein. Egal ob Stufe 1 nun bei 1 oder 2 oder 3 > der PWM beginnt. Und deine LED ist in 50ns auch nicht an oder aus. Woher kommen jetzt die 200 ns? Das ist bislang nicht die Zeit des kürzesten Pulses. Der ist bei 20 MHz 50 ns. 200 ns sind bereits 4 Pulslängen. > Kinderkram. Und das ohne Einschaltspitzenströme. Schafft schon ein SOT23 > wie AO3404 bei minimmaler Gateladung. Aha. Wie erkennt man das am Datenblatt? > Robust heisst kurzschlusssicher. Ich bin mir nicht sicher, ob ich das bauen will. Was passiert eigentlich in so einem Fall mit kommerziellen LED-PWM-Dimmern? Ich finde gerade keine Datenblätter zu solchen Geräten und in den Shops wird ja oft nichtmal die PWM-Frequenz genannt (dann liegt sie meist bei 100–200 Hz). Sie geben aber LED-Stromgrenzen von 6 A o. ä. an, also mehr als ich grade brauche, und das in geschlossenen Plastikgehäusen und bis 60 °C Umgebungstemperatur. Ich vermute, dass mein SOA-Missverständnis darin liegt, dass ich davon ausgehe, dass V_DS hier 24 V ist. Ist es vielleicht tatsächlich eher so, dass die 24 V größtenteils am LED-Streifen abfallen und am MOSFET nur sehr viel weniger? Wodurch wir im Diagramm nach links wandern und R_DS(on) evtl. doch wieder relevant wird? Falls es das auch nicht ist, möge sich bitte jemand zu mir herablassen und mir einen Tipp geben, was genau ich nicht verstanden habe. Jürgen W. schrieb: > Die Spinnerei mit 4kHz würde ich von Beginn weg lassen: Das bringt für > die Flimmerfreiheit gar nix. 1kHz PWM reicht aus, mit 8k Stufen sind das > also 1,25usec als kleinste Puls-Länge Wenn man sich und seine Augen nicht schnell bewegt, mag das stimmen. Ich bin da aber auch empfindlicher. Die Frequenz steht aber auch noch nicht fest. Als nächstes muss ich den LED-Streifen mal so montieren, dass ich auch echt was damit beleuchte. Dann kann ich mit der Software noch spielen. Hab mal nachgerechnet: 1 kHz * 8000 Stufen = 8 MHz → 125 ns. Das ist etwa die Größenordnung, in der ich mich jetzt schon bewege. > Zusätzlich könntest Du den Stromverlauf mittels > Spule und entsprechender Freilaufdiode noch glätten Das verstehe ich zwar nicht, ich zweifle aber gleich mal die Wirkung an: Soweit ich weiß, können LEDs mit abweichendem Strom ihre Farbe ändern, was PWM idealerweise umgeht. Außerdem kenne ich die Linearität dieser Glättung nicht, so dass die resultierende Helligkeit unvorhersehbar sein könnte. > Als MOSFETs bieten sich an: > FDP8880: 12nC @ 5V, 10 mOhm @ 5V Die Schaltzeiten von 107 bzw. 51 ns sind leider zu lang für die beabsichtigte Frequenz. Mit 8000 Stufen reicht das gerade mal für irgendwas um die 625 Hz (bei 200 ns min. Pulsdauer).
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Yves G. schrieb: > Soweit ich weiß, können LEDs mit abweichendem Strom ihre Farbe ändern, > was PWM idealerweise umgeht. Typischen Halbwissen. Sie ändern auch mit der Chiptemperatur ihre Farbe, und die steigt halt je mehr sie leuchten müssen. Yves G. schrieb: > Was passiert eigentlich in so einem Fall mit kommerziellen > LED-PWM-Dimmern Wenn sie was taugen bleiben sie heile. Wenn man mal wieder das billigste aus China gekauft hat, kauft man halt 2 mal.
Yves G. schrieb: > Newton schrieb: >> Uff und dann noch n FET gewählt der sein Plateau bei 5V hat.... :( > > (Was auch immer das bedeutet.) Ich habe leider noch keine Produktsuche > gefunden, die sowas als Abfragekriterium versteht. Und es erscheint mir > nicht zielführend, manuell die Diagramme in den unterschiedlichsten > Datenblättern von zig Tausenden Transistoren zu durchsuchen. Tja, solange Vplateau nicht in den Produktsuchmaschinen mit aufgenommen wird, wirst du das wohl tun müssen. Grundsätzlich und grob gesagt funktioniert ein FET nur dann als Schalter, wenn du ihn oberhalb des Miller-Plateaus betreibst. Dein Versuchs-FET hat dieses Plateau schon bei 3V. Ich nehme an, deine Schaltung läuft mit 5V. Deshalb hat die überhaupt funktioniert. Und bevor du den Zusammenhang zwischen Schaltzeit, Gateladung und Gate(!)-Stromstärke verstanden hast, kannst du das mit Schaltzeiten <1us direkt vergessen. Hast du überhaupt ein Oszi? Miss doch mal nach was am Gate passiert, wenn du mit 100ns schaltest.
Yves G. schrieb: >> Er hält problemlos 24V bei 0A und 0.04V bei 4A aus > > Also in dem Datenblatt des IRLZ44N, das mir vorliegt, liegen 0 A und > 0,04 V außerhalb der Skala. Ich kann deine spärlich erklärte Aussage > daher leider nicht nachvollziehen oder daran mein Verständnis der SOA > verbessern. Welchen Bereich das SOA Diagramm abdeckt, hat nichts mit deinem Problem zu tun,das ein reines Verständnisproblem ist. Es geht bei der SOA darum, welche Spannung am FET anliegt während gleichzeitig welcher Strom fließt. Bei deiner LED-Schalterei liegen aber nur entweder 24V am FET an (real weniger, eher 12V) oder es fließen 4A. Daß deine Idee mit 2.5kHz oder gar 4kHz PWM-Frequenz bei 16 Bit Auflösung hirnrissig ist, wurde bereits gesagt. Ich wiederhole es nur deswegen, weil das eventuell (ich zweifle) die Glaubwürdigkeit in deinen Augen erhöht. EMV kannst du bei 50ns Pulslängen jedenfalls vergessen. Denn relevant sind die Anstiegszeiten und die sollten in jedem Fall geringer sein als die Pulslänge. Du versuchst da gerade, einen Kurzwellensender zu bauen. Immerhin paßt die Leitungslänge deiner LED-Streifen dann als Antenne %-| > Schaltzeiten von 107 bzw. 51 ns sind leider zu lang für die > beabsichtigte Frequenz. Mit 8000 Stufen reicht das gerade mal für > irgendwas um die 625 Hz Deine Forderungen sind ja auch vollkommen irre (hat das eigentlich schon mal jemand erwähnt?). Bei mir steht ein selbstgebautes RGB-Effektlicht [1] im Wohnzimmer, das hat effektiv 10 Bit Auflösung und 150Hz Wiederholfrequenz. Das flimmert nicht. Und die Helligkeitsstufen sind mit dem Auge nicht aufzulösen. [1] Beitrag "noch ein AVR Moodlight"
Newton schrieb: > Und bevor du den Zusammenhang zwischen Schaltzeit, Gateladung und > Gate(!)-Stromstärke verstanden hast, kannst du das mit Schaltzeiten <1us > direkt vergessen. Hast du überhaupt ein Oszi? Miss doch mal nach was am > Gate passiert, wenn du mit 100ns schaltest. Ich geb mir Mühe, diese Zusammenhänge herauszufinden. Da hab ich auch schon gemessen. Dadurch bin ich auf die Idee gekommen, dass der MOSFET nicht schnell genug schaltet. Das Signal am Digital-Pin war deutlich zu sehen und zu messen, auch bei 50 ns. Die Flanken haben halt etwas geschwungen, wenn man so weit reinzoomen muss, aber ich fand die Kurve in Ordnung. Am Gate (nach dem Widerstand, 100 Ω) habe ich nicht gemessen. Nach dem MOSFET (ich weiß leider nicht mehr genau wo, müsste Drain gewesen sein) war bei diesen Geschwindigkeiten nicht mehr viel Rechteck zu erkennen. Die genauen Zeiten hab ich nicht mehr im Kopf, aber während bei einem 100-ns-Puls noch eine deutliche Aussteuerung zu sehen war, ist bei 50 ns fast nichts mehr passiert. Interessanterweise haben die LEDs auch ohne Pulse (Stufe 0) ganz leicht geglimmt, so lange das Oszi dranhing. Ohne Oszi war's wieder komplett dunkel. Also mit dem IRLZ44N so wie es jetzt aufgebaut ist, kann ich 100-ns-Pulse schalten. Nur für höhere Anforderungen brauche ich was anderes. So wie es aussieht, wäre das dann wohl ein MOSFET-Treiber, der die erforderliche Gatespannung und Strom aufbringt, um den FET möglichst schnell zu schalten, richtig? Ziel wäre hier 2 A I_DS für min. 12 ns Pulsdauer mit einem 3,3-V-µC. Alternativ könnte ich für sehr geringe Helligkeiten die PWM-Frequenz dynamisch reduzieren (die machbaren 100-ns-Pulse kommen dann seltener). Das würde ich aber gerne vermeiden.
Jürgen W. schrieb: > 1kHz PWM reicht aus, mit 8k Stufen sind das > also 1,25usec als kleinste Puls-Länge (Nein. (1k*8k=8M) Sondern 0,125µs bzw. 125ns.)
(Glättung (Drossel) würde da wohl schon einiges vereinfachen. Würdest Du sagen, was genau Du womit genau Beleuchten willst, schlösse das automatisch einige zufällig unpassenden Ansätze aus, diese Infos könnten also nützlich sein. Gerade bei "null Ahnung" von Mosfets bzw. Leistungselektronik würde ich jedem Ratsucher Herausgabe jener Infos nahelegen.)
Axel S. schrieb: > Deine Forderungen sind ja auch vollkommen irre (hat das eigentlich schon > mal jemand erwähnt?). Bei mir steht ein selbstgebautes RGB-Effektlicht > [1] im Wohnzimmer, das hat effektiv 10 Bit Auflösung und 150Hz > Wiederholfrequenz. Das flimmert nicht. Und die Helligkeitsstufen sind > mit dem Auge nicht aufzulösen. Dann hast du andere Augen als ich. Kann man nichts machen. Schau doch mal bei 3/4 Helligkeit vor einem dunklen Hintergrund auf einen hellen Stift, der schnell hin und her bewegt wird. (Ist nur ein nicht allzu praxisnahes Beispiel, tatsächlich passieren andere Dinge.) Die vielen Helligkeitsstufen brauche ich auch nur für die dunklen Helligkeiten. Im normalen Tageslichtbereich macht das eher keinen Unterschied mehr. Im Gegensatz zu deiner Effektbeleuchtung baue ich etwas, das den Raum auf Arbeitshelligkeit bringen kann. Ach ja, ich les mal ein bisschen weiter mit den genannten Begriffen. Ansonsten wurschtel ich mich halt mal wieder alleine durch.
ganz diskret schrieb: > Würdest Du sagen, was genau Du womit genau Beleuchten willst Das ganze wird ein LED-PWM-Dimmer für 24-V-LED-Streifen mit einem Strom von 1–2 A, was etwa 2–6 m Länge entspricht. Das ganze mehrfach für verschiedene Beleuchtungszonen und warm-/kaltweiß. Um es kurz zu machen: Eine Raumbeleuchtung für meine Wohnung (für alle Räume geeignet). Und ich hätte das gerne fertig, bevor ich keine dieser schönen HV-Halogenbirnen mehr bekomme und mein Lager leer ist. ;-)
Schau dir das Teil mal an. Klingt so als ob es gut passen könnte ... https://www.infineon.com/cms/en/product/power/lighting-ics/dc-dc-led-driver-ic/ild8150/
Yves G. schrieb: > Am Gate (nach dem Widerstand, 100 Ω) habe ich nicht gemessen. Dabei ist genau DA der wichtigste Messpunkt....
Markus W. schrieb: > Schau dir das Teil mal an. Klingt so als ob es gut passen könnte ... Ich verstehe leider nicht, wozu dieser IC gedacht sein soll. Eine Regelung des Ausgangsstroms hört sich aber nach einer einzelnen LED an, die ja strom- und nicht spannungsgetrieben ist. Ein LED-Streifen wird aber mit konstanter Spannung (hier 24 V) betrieben, der Strom regelt sich alleine. Interessant finde ich aber diesen Satz im Datenblatt (3.1.2): > The modulation signal has a frequency of typically 3.4 kHz to satisfy the IEEE1789-2015 recommendation for no observable flicker in light. Weitere Informationen dazu: https://www.dial.de/de/article/die-ieee-1789-ein-neuer-standard-zur-bewertung-von-flimmernden-leds/ Da scheinen meine 2,5 kHz gut gewählt zu sein. Newton schrieb: > Dabei ist genau DA der wichtigste Messpunkt.... Ich werd's nochmal messen. Geht gerade nicht, da ich außenrum einiges geändert habe, das noch nicht funktioniert.
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