Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik PWM längerer LED-Strips (die tausendste)


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von Fredie (Gast)


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Eigentlich eine Frage, die schon tausende Male besprochen wurde, aber 
ich stelle mich zu doof an die passende Frage mit der passenden Antwort 
zu finden.

Ich möchte LED-Strips schalten. Fürs erste 40W auf einem Kanal (sind 5m 
nur weiße Strips). Gewünscht wären dann 256kHz 8-Bit PWM. Später gerne 
auch mehr Kanäle und längere Strips / Aufbauten.

Ich habe schon unzählige Seiten durch und drehe mich immer wieder 
gefühlt im Kreis, da mir ein paar Grundlagen fehlen um selber die 
richtige Entscheidung zu treffen. Wie sollte ich so eine Schaltung 
aufbauen?

Ich finde verschiedenste Ansätze, Transistoren (doof, da zu viel 
Verlustleistung?), Mosfets (doof da bei PWM zu hohe Verlustleistung?), 
Motorsteuerungen (können kein ausreichendes PWM?), ...

Wie gesagt drehe ich mich im Kreis. Wenn ich z. B. den Ansatz folge 
Mosfets zu nutzen, dann kommt irgendwann der Punkt auf dass die bei 
hohen Frequenzen eine doch recht hohe Verlustleistung haben und ein 
anderes Bauelement / Schaltung empfohlen wird. Dann lese ich wieder so 
lange über eine alternative bis auch hier wieder Schwachstellen 
aufgezeigt werden, so dass ich mich wieder der nächsten Alternative 
hingebe.

Übliche mikrocontroller.net-Threads halt :D Für mich gerade jedoch eher 
sehr frustrierend, da ich nicht weiterkomme.

Ich befürchte auch dass gleich mein Punkt mit min. 1kHz PWM zerissen 
wird - viel zu hoch, braucht doch keiner, ... Wobei ich das einfach 
gerne einmal ausprobieren würde.

IRLZ34N, IRLZ44N, IRFZ34N und IRFZ44N sind mittlerweile vorhanden, 
genauso wie ein haufen anderer Bauteile. Was nun noch fehlt ist "nur 
noch ein Plan".

Kann mir jemand dabei helfen mich nicht weiter im Kreis zu drehen? Mir 
ist schon schwindlig ;)

Wie? Irgendwas. Link zu EINEM passenden Artikel, Schaltung, 
nachvollziehbarer Vorschlag mit welchem - und warum mit diesem - Bauteil 
ich die Schaltung (idealerweise verlustarm) umsetzen sollte, ...

Vielen Dank

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


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Fredie schrieb:
> Mosfets (doof da bei PWM zu hohe Verlustleistung?)

Wie kommst du darauf? 125kHz sind für die MOSFets doch gar kein Problem. 
Das grössere Problem ist, das du da einen Langwellensender mit 5m 
Antenne baust.
Und ab etwa 4kHz PWM sieht man die Strips auch nicht mehr flimmern. 
Einen sinnvollen Grund gibt es also nicht für 125kHz.

von Kevin M. (arduinolover)


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Fredie schrieb:
> 1kHz PWM zerissen
> wird - viel zu hoch, braucht doch keiner,

Da hast du allerdings recht, 256KHz braucht kein mensch, 1KHz kann je 
nach Anwendung aber auch zu wenig sein.

Fredie schrieb:
> Gewünscht wären dann 256kHz 8-Bit PWM.

Mit einem anständigen FET ist das kein Problem, wie machen das wohl die 
ganzen Schaltregler mit 300KHz und mehr?

von Fredie (Gast)


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Die max 256kHz kommen durch ein gedachtes lineares hochskalieren der 
PWM-Frequen um um keinen 
https://de.wikipedia.org/wiki/Perlschnur#Perlschnureffekt zu haben.

Also 256 kHz max sind nicht nötig, die sehe ich auf keinen Fall. Aber 
zumindest mehrere hundert Hz, vielleicht auch wenige kHz (Grenze wäre zu 
testen) kann ich noch sehen - und machen einen wahnsinnig.

Ab wenigen (einem ?) kHz sehe ich aber auch nur noch ein 
kontinuierliches Licht. Ich würde als untere Grenze der Frequenz gerne 
eine Frequenz nehemn, welche mir als kontinuierliches Licht erscheint, 
soweit möglich.

Wenn der Strip heller sein soll muss die Frequenz nicht unbedingt linear 
hochskaliert werden.



Matthias S. schrieb:
> Das grössere Problem ist, das du da einen Langwellensender mit 5m
> Antenne baust.
Ich bin ja nicht der erste, der gerne etwas längere LED-Strips bauen 
möchte.
HF ist für mich "Magie", aber gelesen habe ich schon mehrmals von der 
Problematik, dass man sich eine Antenne / einen Sender baut. Wie 
vermeidet man dies denn? Wie kann man dem entgegenwirken?


Kevin M. schrieb:
> Mit einem anständigen FET ist das kein Problem, wie machen das wohl die
> ganzen Schaltregler mit 300KHz und mehr?
Keine Ahnung, wahrscheinlich auch Magie :D Oder warum ist das Kabel, 
welches an dem 300kHz Schaltregler hängt keine Antenne?

von Sebastian R. (sebastian_r569)


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Fredie schrieb:
> Oder warum ist das Kabel,
> welches an dem 300kHz Schaltregler hängt keine Antenne?

Weil der eigentliche Teil, der mit 300kHz schwingt, sehr kompakt 
aufgebaut ist und von der Schwingung nicht viel auf der Leitung landet, 
die nach außen führt. Da ist im Prinzip hinter der Spule mit dem 
Glättungskondensator Ruhe und (nahezu) perfektes DC. Die Leiterbahnen 
mit Strom+300kHz sind wenige Millimeter lang.

Wenn du nun 300kHz und ein paar Ampere über mehrere Meter schickst, 
sieht das schon anders aus.

von Kevin M. (arduinolover)


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Fredie schrieb:
> Wie
> vermeidet man dies denn? Wie kann man dem entgegenwirken?

Indem man die LEDs nicht mit PWM dimmt, sondern mit Konstant Strom 
betreibt.
Mit PWM wird das bei entsprechend niedrigen Frequenzen gemacht, da es 
einfach und billig ist und es bei so niedrigen Frequenzen keine 
signifikanten Abstrahlungen gibt. Das Problem ist aber weniger die 
eigentliche Grundfrequenz von beispielsweis 1KHz, schlimmer sind die 
Schaltflanken, die deutlich höhere Frequenzanteile haben und so 
abstrahlen. Da gibt es verschiedene Möglichkeiten diese abzuschwächen, 
schön wird es trotzdem nicht.

von Fredie (Gast)


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Sebastian R. schrieb:
> Weil der eigentliche Teil, der mit 300kHz schwingt, sehr kompakt
> aufgebaut ist und von der Schwingung nicht viel auf der Leitung landet,
Weil die Flanken / Schwingungen durch Kondensatoren o. Ä. 
herausgefiltert werden?

Kevin M. schrieb:
> Fredie schrieb:
>> Wie
>> vermeidet man dies denn? Wie kann man dem entgegenwirken?
> Indem man die LEDs nicht mit PWM dimmt, sondern mit Konstant Strom
> betreibt.
...
> Da gibt es verschiedene Möglichkeiten diese abzuschwächen, schön wird es 
trotzdem nicht.

Also wenn das so einfach funktioniert, dann habe ich mich zu viel im 
Kreis gedreht. Das sollte ich mit nem Mosfet ja passend hinbekommen.
Ich dachte dass das Regeln von Strips (vielleicht nur RGB LED/s bzw. 
Strips) zu einem schlechteren Ergebnis führt wenn man die Helligkeit 
über den Strom statt über Duty-Cycle / PWM regelt.

von kenny (Gast)


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Fredie schrieb:
> Also wenn das so einfach funktioniert, dann habe ich mich zu viel im
> Kreis gedreht. Das sollte ich mit nem Mosfet ja passend hinbekommen.
> Ich dachte dass das Regeln von Strips (vielleicht nur RGB LED/s bzw.
> Strips) zu einem schlechteren Ergebnis führt wenn man die Helligkeit
> über den Strom statt über Duty-Cycle / PWM regelt.

https://shelly.cloud/products/shelly-rgbw2-smart-home-automation-led-controller/

Hier könnte man sich ein paar Sachen abschauen :-)

von Fredie (Gast)


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kenny schrieb:
> https://shelly.cloud/products/shelly-rgbw2-smart-home-automation-led-controller/
>
> Hier könnte man sich ein paar Sachen abschauen :-)
Kannst du spezifizieren, was du meinst? Ich finde hier nur ein fertiges 
Produkt mit App zum kaufen inkl. vieler, schöner, bunter 
marketing-Bildchen. Falls du ausdrücken wolltest ich solle mir so eine 
Lösung kaufen: ich würde gerne etwas lernen, gerne auch Bauteile 
(Mosfets o. Ä.), mit welchen ich noch nicht gearbeitet habe, 
kennenlernen.
Falls du etwas anderes meinst würde ich mich über einen Fingerzeig 
freuen.

von Fredie (Gast)


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Kevin M. schrieb:
> Fredie schrieb:
>> Wie
>> vermeidet man dies denn? Wie kann man dem entgegenwirken?
>
> Indem man die LEDs nicht mit PWM dimmt, sondern mit Konstant Strom
> betreibt.

Wie bekomme ich eine vernünftige Konstantstromquelle für den 
Anwendungsfall 12V und viele Ampere hin?

Wenn ich mir jetzt den LM317 anschaue dann fällt da ja einiges an 
Leistung ab
  I x (12V - Flussspannung - 1,25V)
=> da kommen bei hohen Strömen ja sehr schnell sehr hohe Verluste hinzu. 
Wie löst man so etwas vernünftig? Habe da keine Erfahrung; meine liegt 
eher im Bereich nA-mA, vielleicht mal das eine oder andere Ampere. Aber 
nicht viele und vor allem auch nicht dutzende wenn man mal weiterdenkt 
:D

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Fredie schrieb:
> Wie löst man so etwas vernünftig?
Mit Schaltreglern.
Die speichern die Energie in einer Spule und geben sie dann wieder ab, 
statt sie zu verheizen. Das passiert dann so ca. 100000 mal pro Sekunde.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Fredie schrieb:
> Gewünscht wären dann 256kHz

Warum das? Andere dimmen mit Frequenzen um 1kHz.

> 8-Bit PWM

Warum das? Damit bekommst du im dunklen Bereich ziemlich grobe 
Abstufungen, denn das Auge sieht Helligkeit logarithmisch.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Fredie schrieb:
> Wie? Irgendwas. Link zu EINEM passenden Artikel
Dort stehen ein paar Stichworte drin:
https://docs.rs-online.com/0360/0900766b8135f1fd.pdf

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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> Transistoren (doof, da zu viel Verlustleistung?)
> Mosfets (doof da bei PWM zu hohe Verlustleistung?)

MOSFET sind Transistoren und beide haben nicht zu viel Verlustleistung, 
wenn man die Schaltung korrekt auslegt.

Viel problematischer sehe ich allerdings, dass deine PWM gedimmten 
Leitungen jede Menge Radiowellen abstrahlen werden und so ziemlich alle 
drahtlosen Kommunikationen beeinträchtigen werden. Ich bin nicht einmal 
sicher, ob solche Aufbauten überhaupt legal sind. EMV regeln kannst du 
damit jedenfalls nicht erfüllen.

Was du brauchst, ist ein via PWM dimmbares LED Netzteil. Nur damit lässt 
sich so etwas sinnvoll umsetzen. Und komme gar nicht auf die Idee, so 
ein gerät selber bauen zu wollen. Es kann nur teurer und schlechter 
werden, als handelsübliche Produkte.

von Fredie (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Fredie schrieb:
>> Gewünscht wären dann 256kHz
>
> Warum das? Andere dimmen mit Frequenzen um 1kHz.
Perlschnureffekt, s. o. Muss auch nicht 256kHz sein, s. o.
>
>> 8-Bit PWM
>
> Warum das? Damit bekommst du im dunklen Bereich ziemlich grobe
> Abstufungen, denn das Auge sieht Helligkeit logarithmisch.
Gerade im dunklen Bereich fällt es jedoch besonders auf. Abstufung muss 
nicht linear sein. Eine vernünftige Steuerung, welche im unteren Bereich 
- für diejenigen die es sehen können - nicht flackert, ist gewünscht.

von Fredie (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> MOSFET sind Transistoren und beide haben nicht zu viel Verlustleistung,
> wenn man die Schaltung korrekt auslegt.
Wie legt man die Schaltung denn vernünftig für, sagen wir 12V und 3A, 
aus? Würde ich es wissen würde ich nicht fragen ;) Wenn es dann mal mehr 
werden soll, wie legt man die Schaltung für 6A aus? 10A? Will ja nicht 
jedes mal neu fragen sondern gerne auch selber kapieren wie die Lösung 
skaliert bzw. bis zu welchen Grenzen diese sinnvoll ist und wann ein 
anderer Ansatz gewählt werden sollte.


> Viel problematischer sehe ich allerdings, dass deine PWM gedimmten
> Leitungen jede Menge Radiowellen abstrahlen werden und so ziemlich alle
> drahtlosen Kommunikationen beeinträchtigen werden. Ich bin nicht einmal
> sicher, ob solche Aufbauten überhaupt legal sind. EMV regeln kannst du
> damit jedenfalls nicht erfüllen.
"Meine Leitungen" müssen ja nicht meine Leitungen sein (?). Ich will 
keinen sinnlosen Ansatz umsetzen, sonst würde ich nicht hier fragen. Ich 
freue mich über Input wie ich einen vernünftigen Ansatz umsetzen kann.

> Was du brauchst, ist ein via PWM dimmbares LED Netzteil. Nur damit lässt
> sich so etwas sinnvoll umsetzen. Und komme gar nicht auf die Idee, so
> ein gerät selber bauen zu wollen. Es kann nur teurer und schlechter
> werden, als handelsübliche Produkte.
Kenne noch keine Netzteile unter dem Begriff "PWM dimmbares LED 
Netzteil". Sind das KSQ welche mittels PWM gesteuert werden?(*) 
Wahrscheinlich nicht, aber wenn diese dann PWM auf den Ausgang / die 
Strips legen, ist dann nicht wieder das Problem mit der Antenne und dem 
Sender vorhanden?

(*) So etwas?
https://www.led-konzept.de/TRIAC-LED-Netzteil-150W-dimmbar

von Fredie (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> Dort stehen ein paar Stichworte drin:
> https://docs.rs-online.com/0360/0900766b8135f1fd.pdf

Danke für den Link, aber ich muss etwas übersehen. Der Wandler hat zwar 
weniger Verlustleistung als der LM317 in der Schaltung als KSQ 
(https://www.mikrocontroller.net/articles/Konstantstromquelle), aber 
bringt mich nicht sonderlich weiter, oder?

Oder war es nur ein simples Beispiel und es wird einfach bei so hohen 
Strömen immer aufwändiger als einen simplen 78xx, LM317, ... zu 
verwenden? Meine bisherigen Projekte sind eher Leistungsarm, wenn da mal 
ein oder zwei Watt insgesamt zusammenkommen ist das i. d. R. schon viel.

Wenn ich mir nun so einen 10A Schaltregler 
(https://www.st.com/resource/en/datasheet/l4970a.pdf) anschaue braucht 
der doch schon etwas mehr Platz und Peripherie als meine sonstigen 
Energieversorgungen.

von Johannes (Gast)


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Wenn du nach dem Schalttransistor noch eine Spule+Diode einbaust, hast 
du eine (halbwegs) geglättete Spannung an den Lampen. Es versaut dir 
aber ein wenig die Linearität.

Für geschaltete Anode:
1
V+ --- FET --- Spule --- LED+
2
            |
3
          Diode          LED-
4
            |             |
5
           GND           GND
(Sorry für das hingehunzte Blockschaltbild, keine Zeit/Lust für mehr)

Für geschaltete Kathode entsprechend umdrehen alles, im Bild ist es ein 
P-FET. Die Spule treibt den Strom weiter während das FET aus ist, das 
Stromverhältnis stellt sich mehr oder weniger nach dem Tastverhältnis 
ein.

Disclaimer: Das ist keine fertige Schaltung sondern ein funktionierendes 
Konzept.

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


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Ich habe bei 4kHz gute Erfahrungen gemacht, da flimmert nix mehr und ein 
3A Strip erhitzt den hier arbeitenden IRLZ44N überhaupt nicht. Der 
Ausgang geht über eine Ringkerndrossel und verrundet die steilen Flanken 
der PWM.

von Johannes (Gast)


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Vermutlich macht es keinen großen Unterschied und ist praktisch 
vernachlässigbar, aber:

Wenn du nur eine Ringkerndrossel nimmst, verheizt du die darin 
gespeicherte Energie über den Durchbruch vom FET. Zum einen muss der FET 
das abkönnen (was meist kein Problem ist), zum anderen ist die 
Abschaltflanke dadurch wesentlich zackiger wegen der vergleichsweise 
hohen Spannungsdifferenz über die Spule.

Mit einer zusätzlichen Diode bist du bei dem obigen Blockbild und die 
Energie landet in den LEDs.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Fredie schrieb:
> Wie legt man die Schaltung denn vernünftig für, sagen wir 12V und 3A,
> aus?

Siehe 
http://stefanfrings.de/mikrocontroller_buch/Einstieg%20in%20die%20Elektronik%20mit%20Mikrocontrollern%20-%20Band%202.pdf 
Kapitel 2.2

Ab 500mA aufwärts bevorzuge ich heute ganz klar MOSFET.

Es ist aber auch mit bipolaren Transistoren möglich. Da muss man dann 
aber mehrere verketten, weil einer alleine nicht genug 
Verstärkungsfaktor hat.

Fredie schrieb:
> Kenne noch keine Netzteile unter dem Begriff "PWM dimmbares LED
> Netzteil".

Dann gebe das mal bei Amazon ins Suchfeld ein.

> Sind das KSQ welche mittels PWM gesteuert werden?

Ja genau. Da kommt eine halbwegs glatte Gleichspannung heraus. Nicht so 
glatt wie aus einem Labornetzteil aber doch so, dass es nicht nebenbei 
als Radiosender wirkt.

> Wahrscheinlich nicht, aber wenn diese dann PWM auf den Ausgang / die
> Strips legen, ist dann nicht wieder das Problem mit der Antenne und dem
> Sender vorhanden?

Nein, weil da Gleichspannung heraus kommt - nicht pulsierend, das ist 
der Entscheidende Vorteil.

Kapitel 2.4.2 könnte dich auch interessieren, da ist die Sache mit der 
Spule kurz erklärt. Genau das befindet sich in den LED Netzteilen. Dazu 
gibt es auch ganz tolle Erklärungen im Web, teilweise mit Animierten 
Zeichnungen.

: Bearbeitet durch User

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