Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik LED IC PWM Regelung mit MOSFET


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von L. R. (sh4rp)


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Hallo zusammen

ich habe in den letzten Tagen viel gelesen und war auch in diesem Forum 
unterwegs, allerdings komme ich leider mit meinem Verständnis nicht 
weiter und ich hoffe, dass mir hier jemand den richtigen Denkanstoß 
liefern kann.

Hier die fraglichen Komponenten:

SGL8022 (https://www.ic-components.de/products/ae7669273/SGL8022W.pdf)

J3Y NPN BJT 
(https://www.openimpulse.com/blog/wp-content/uploads/wpsc/downloadables/S8050-NPN-Transistor-SOT-23-Datasheet.pdf)

CJ2302 S2 MOSFET 
(https://datasheet.lcsc.com/szlcsc/1809112022_Changjiang-Electronics-Tech-CJ-CJ2302-S2_C8548.pdf)

Vorlage: 
https://www.electroschematics.com/touch-led-pwm-module-whats-inside/

Ich versuche mich zur Zeit an meinem ersten etwas fortgeschrittenen PCB 
Projekt, wobei fortgeschritten warsch. relativ ist. Mein Ziel ist es, 
einen bestehenden Schaltkreis zu kopieren und an meine Bedürfnisse 
anzupassen.

Der LED Driver in meinem Fall ist ein SGL8022W und mein bisheriger Stand 
nutzt einen J3Y NPN BJT um die LED`s zu bestromen. Allerdings liefert 
mir der BJT nicht genug Strom und tatsächlich verwirrt mich das Bauteil 
mehr als dass es mir hilft, gerade im Bezug auf hFE etc. Und ich hoffe, 
dass mir hier jemand helfen kann da etwas Licht in Dunkel zu bringen 
sodass ich selbstständig einen BJT wählen kann der zu der Aufgabe passt.

Ich habe z.B. am SO Pin vom IC einen High Wert von 5mA und einen Low 
Wert von 9mA. Warum zwei Werte und warum ist Low 9 und High 5?? Ich 
verstehe, dass der BJT in meinem Fall das Signal vom IC verstärkt, also 
die 5 bzw. 9mA um den Faktor hFL verstärkt? Verstehe es nicht.

Um es noch komplizierter zu machen hat mir ein Bekannter geraten, das 
ganze mit einem MOSFET auszuprobieren. Wie ich nun gestern draufgekommen 
bin, nutzt die reale Vorlage für mein Projekt tatsächlich ebenfalls 
einen MOSFET. Die Lösung mit dem BJT kommt aus dem Datenblatt. Aus 
reiner Neugier habe ich gestern einfach mal den BJT abgeklemmt und den 
MOSFET aus der Vorlage hinter den 1K Resistor gehangen. Zu dem Zeitpunkt 
war mir schon klar, dass gleich der magische Rauch rauskommen könnte, 
tat er aber nicht und ich hatte durch den MOSFET wesentlich mehr Power 
zur Verfügung und die LEDs haben mit maximaler Helligkeit geleuchtet 
also genau was ich wollte. Jetzt würde ich gerne noch wissen, wie ich 
herausfinden kann, dass der MOSFET tatsächlich in meinen Stromkreis 
passt. :D

Am SO Pin habe ich in 3 Helligkeitsstufen 0,5V, 1.5V und 3V gemessen. 
Das Datenblatt gibt mir beim Gate Threshold Voltage nen maximal Wert von 
1.2V, da müsste ich das Teil doch eigentlich schon abgefackelt haben? 
Oder hat mich da der 1K Widerstand gerettet?

Ihr seht, es fällt mir sogar schwer eine richtige Frage zu formulieren 
weil mir einfach ne Menge Wissen fehlt aber mein Ansporn ist es durch so 
ein Projekt die Zusammenhänge besser verstehen zu können, habt Nachsicht 
mit mir.

Vielen Dank :)

: Verschoben durch Moderator
von MaWin (Gast)


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L. R. schrieb:
> es fällt mir sogar schwer eine richtige Frage zu formulieren

Du möchtest mit dem Touch Control IC eine LED mit deutlich mehr Strom 
steuern als derzeit.

L. R. schrieb:
> hat mir ein Bekannter geraten, das ganze mit einem MOSFET auszuprobieren

Gute Idee, dein CJ2013 schaltet z.B. locker 2A wird ja wohl reichen.

Der bisherige S9012 Bipolartransistor kann halt nur die maximal 5mA 
verstärken, die der SGL8022W liefern kann, das reicht maximal für 200mA 
LED Strom. Mehr bedeutet dann eine andere Schaltung, der MOSFET ist eine 
sinnvolle Lösung.

L. R. schrieb:
> Warum zwei Werte und warum ist Low 9 und High 5??

Er kann bei high 5mA von plus liefern und bei low 9mA nach Masse 
ableiten.

L. R. schrieb:
> Am SO Pin habe ich in 3 Helligkeitsstufen 0,5V, 1.5V und 3V gemessen

Du misst schnell pulsierende Spannung, das kann dein Multimeter nicht 
anzeigen, du erfährst nur den Mittelwert, du bräuchtest ein Oszilloskop 
um zu sehen dass bei 1.5V in Wirklichkeit schnell zwischen 0.5 und 3V 
hin und hergeschaltet wird.

von HildeK (Gast)


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Dein Post sieht nach einem Negativbeispiel aus:
- exotische BE, aber kein Datenblatt verlinkt, jeder darf selber suchen
- keine Schaltung angegeben
- keine LED-Ströme angegeben
- verwirrende Fragen, wie z.B.:
L. R. schrieb:
> Ich habe z.B. am SO Pin vom IC einen High Wert von 5mA und einen Low
> Wert von 9mA. Warum zwei Werte und warum ist Low 9 und High 5??

Nur eines kann ich dir sagen zu
L. R. schrieb:
> Am SO Pin habe ich in 3 Helligkeitsstufen 0,5V, 1.5V und 3V gemessen.
> Das Datenblatt gibt mir beim Gate Threshold Voltage nen maximal Wert von
> 1.2V, da müsste ich das Teil doch eigentlich schon abgefackelt haben?
> Oder hat mich da der 1K Widerstand gerettet?
Gate-Threshold ist die Spannung, bei dein MOSFET gerade mal garantiert 
50µA leiten lässt. Oder anders gesagt: wenn du unter dem Minimum 
bleibst, dann lässt er höchstens noch 50µA fließen. Man sollte tunlichst 
deutlich drüber bleiben, bei deinem Exemplar ist in der Zeile 
'Drain-source on-resistance' angegeben, bei welcher Gate-Source-Spannung 
er welchen ON-Widerstand hat und welchen Strom er fließen lassen kann. 
Das ist der wichtige Parameter.
Das Gate selber darf bis max. 8v betrieben werden.

von Kevin M. (arduinolover)


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L. R. schrieb:
> Das Datenblatt gibt mir beim Gate Threshold Voltage nen maximal Wert von
> 1.2V, da müsste ich das Teil doch eigentlich schon abgefackelt haben?
> Oder hat mich da der 1K Widerstand gerettet?

Die Threshold Spannung ist die Spannung bei der das FET anfängt "gut zu 
leiten". Die Angabe der Gate-Source-Voltage ist interessant für die 
maximale Gatespannung. Die liegt in der Regel zwischen +-8 und +-20V 
kommt auf das FET an.

von L. R. (sh4rp)


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Danke schonmal für die umfassende Antwort! Habe aber nochmal ein paar 
Rückfragen :)

Die 5mA bzw 9mA am SO Pin, wofür sind diese Werte angegeben? Sagen die 
aus wie schnell ich den Transistor sättigen bzw wieder auf Sperrung 
schalten kann?

Mich wundert auch wie du auf die 200mAh kommst. Also ich denke du nimmst 
die 5mA vom High Signal und multiplizierst das mit hFE Verhältnis aber 
da sind ja mehrere angegeben. Für 50mA und 500mA? Welcher hFE Wert ist 
relevant?

Bzgl der Messung mit dem Multimeter, grundsätzlich ist ja auch der 
Mittelwert interessant weil um diesen Wert die LED geregelt wird 
richtig? Der MOSFET hat ja wie schon geschrieben einen Max. Gate 
Threshold Wert von 1.2V, da komme ich ja drüber wenn jetzt nur noch das 
High Signal gesendet wird, also praktisch LED auf 100%.

3.3V vom IC > Max. Threshold MOSFET

So wie ich es verstehe schaltet er dann linear von 0A auf Max. 2.1A bei 
maximaler Sättigung, also brauche ich auf jeden Fall noch einen 
Vorwiderstand, bzw ich muss ausreichend LEDs parallel schalten korrekt? 
Witzigerweise habe ich jetzt auch keinen Vorwiderstand verbaut und die 
LEDs brennen nicht durch, aber ich hab auch keine Specs zu denen. Sind 
vom “Spenderboard”.

Edit://

@Aruduinolover hab deinen Beitrag erst jetzt gesehen, werde mir die 
Werte nochmal im Detail anschauen vielen Dank!

: Bearbeitet durch User
von Matthias L. (lippy)


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>Du misst schnell pulsierende Spannung, das kann dein Multimeter nicht
>anzeigen, du erfährst nur den Mittelwert

Genaugenommen zeigen die meissten Multimeter das 1,11-fache [ = 
pi/2sqrt(s) ] des Gleichrichtwertes an.

von HildeK (Gast)


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L. R. schrieb:
> also brauche ich auf jeden Fall noch einen
> Vorwiderstand, bzw ich muss ausreichend LEDs parallel schalten korrekt?

Du brauchst einen Vorwiderstand. LEDs parallel schalten oder ohne 
Vorwiderstand an einer (guten) Spannungsquelle zu betreiben macht man 
nicht, tut beiden nicht gut und dem Transistor auch nicht.
Parallel: erst stirbt eine, dann immer schneller auch die anderen - 
außer die erste macht schon einen Kurzschluss.

L. R. schrieb:
> ich habe in den letzten Tagen viel gelesen
Viel kann es nicht gewesen sein, wenn du nicht auf die x-fachen 
Warnungen vor einem fehlenden Vorwiderstand für eine LED gestoßen bist.

von L. R. (sh4rp)


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Entschuldige bitte wenn ich ein paar Angaben vergessen habe, das ist 
noch vieles Neuland für mich :) Habe mal den ersten Beitrag um die 
fehlenden Datenblätter und die Schaltung ergänzt.

Bzgl der LEDs: Mir ist bewusst dass die LEDs normalerweise mit einem 
Vorwiderstand geschaltet werden. Nachdem ich jetzt auch nochmal tief in 
mich gegangen bin, habe ich ihn auch auf der Platine gefunden, nur nicht 
da wo ich ihn erwartet hatte. Der Widerstand hängt auf der Plus Leitung 
hinter den LEDs und dem MOSFET. Das hat sich also zum Glück geklärt... 
Hier sei auch nochmal erwähnt, ich bringe zur Zeit die LEDs auf meiner 
Spenderplatine zum leuchten, da habe ich noch kein eigenes Setup 
weswegen ich auch noch keine Angaben zu den Specs machen kann.

Ich wollte das Thema so angehen, dass ich einen vergleichbaren MOSFET, 
wenn nicht sogar genau diesen hernehme und dann durchrechne, was ich an 
LEDs dranhänge, weil ich zu diesem Zeitpunkt auch noch nicht sagen kann 
wie viele es werden sollen. Das wird sich erst durch testen zeigen.

von MaWin (Gast)


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Kevin M. schrieb:
> Die Threshold Spannung ist die Spannung bei der das FET anfängt "gut zu
> leiten"

Nein Kevin.

Geh nochmal zurück in die Schule (ich weiss, die haben derzeit 
geschlossen).

"Unterhalb derer er sperrt" wäre richtig. Gut leitend wird er etwa beim 
doppelten.

von MaWin (Gast)


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Matthias L. schrieb:
> Genaugenommen zeigen die meissten Multimeter das 1,11-fache [ =
> pi/2sqrt(s) ] des Gleichrichtwertes an.

Jein, nur im AC Bereich (bei dem ggf. ein Kondensator noch DC 
abkoppelt).

Er wird im DC Bereich gemessen haben.

von L. R. (sh4rp)


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HildeK schrieb:
> Gate-Threshold ist die Spannung, bei dein MOSFET gerade mal garantiert
> 50µA leiten lässt. Oder anders gesagt: wenn du unter dem Minimum
> bleibst, dann lässt er höchstens noch 50µA fließen. Man sollte tunlichst
> deutlich drüber bleiben, bei deinem Exemplar ist in der Zeile
> 'Drain-source on-resistance' angegeben, bei welcher Gate-Source-Spannung
> er welchen ON-Widerstand hat und welchen Strom er fließen lassen kann.
> Das ist der wichtige Parameter.
> Das Gate selber darf bis max. 8v betrieben werden.

Bitte korrigiert mich nochmal,

sagen wir mein IC liefert ungefähr gemessene 3.3V Vgs was laut 
"Drain-source on-resistance" einen Output irgendwo zwischen 3.6 und 3.1A 
liefert. Nun muss ich einen Vorwiderstand wählen der die 3 komma 
irgendwas Ampere für meine LEDS verträglich macht. Nachdem der MOSFET ja 
über Spannung geregelt wird, kann ich ja die 5 bzw 9mA Output am SO Pin 
vergessen und somit den Gate Widerstand vernachlässigen oder brauche ich 
diesen dennoch?

Vielen Dank schonmal an alle Antworten!

von Kevin M. (arduinolover)


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L. R. schrieb:
> Die 5mA bzw 9mA am SO Pin, wofür sind diese Werte angegeben?

Das ist der maximale Strom den das IC an diesem Pin liefern bzw. zu GND 
abführen kann. Wenn du ein MOSFET nimmst hast dieses eine Gate Kapazität 
die mit eben diesen Stromstärken maximal ge- bzw. entladen werden kann. 
Das begrenzt die maximale Frequenz mit der das FET ein- und 
ausgeschaltet werden kann.

L. R. schrieb:
> Welcher hFE Wert ist
> relevant?

Die Stromverstärkung eines Transistors ist eine recht unzuverlässige 
Größe, die kann bei demselben Typ von Teil zu Teil sehr sehr 
unterschiedlich sein, daher werden im Datenblatt immer Bereiche 
angegeben.

L. R. schrieb:
> Bzgl der Messung mit dem Multimeter, grundsätzlich ist ja auch der
> Mittelwert interessant weil um diesen Wert die LED geregelt wird
> richtig? Der MOSFET hat ja wie schon geschrieben einen Max. Gate
> Threshold Wert von 1.2V, da komme ich ja drüber wenn jetzt nur noch das
> High Signal gesendet wird, also praktisch LED auf 100%.

Ein Halbleiter ist sehr schnell, er sieht nur voll an und ganz aus. das 
Verhältnis zwischen Ein- und Auszeit ist das was die Helligkeit regelt. 
Auch die LED bekommt entweder alles oder nichts, dein Auge ist das was 
nicht mitkommt und das Ganze dann dunkler wahrnimmt.

von MaWin (Gast)


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L. R. schrieb:
> sagen wir mein IC liefert ungefähr gemessene 3.3V Vgs

Ok

> was laut
> "Drain-source on-resistance" einen Output irgendwo zwischen 3.6 und 3.1A
> liefert.

Nein. Diese Kurve ist "typisch" und damit ähnlich ungenau wie hFE beim 
Bipolartransistor.
Man rechnet mit der bei RDS(on) angegebenen Spannung, die wird vom 
Hetsteller überprüft und garantiert.

VGS =2.5V, ID =3.1A

Bei 3.3V wird er also garantiert 3.1A schaffen.

> Nun muss ich einen Vorwiderstand wählen der die 3 komma
> irgendwas Ampere für meine LEDS verträglich macht.

Na das ist der passende Vorwiderstand an jeder einzelnen LED, der muss 
den Strom durch die LED begrenzen, der Transistor schaltet bloss wie ein 
Schalter.


> Nachdem der MOSFET ja
> über Spannung geregelt wird, kann ich ja die 5 bzw 9mA Output am SO Pin
> vergessen und somit den Gate Widerstand vernachlässigen oder brauche ich
> diesen dennoch?

Du brauchst ihn nicht, er schadet aber auch nicht, denn so hoch 
(>100kHz) wird die PWM Frequenz des Touch Dimmer IC nicht sein als dass 
1k das umladen behindern, sie machen halt aus 5mA nur ca. 2mA 
Umladestrom.

L. R. schrieb:
> grundsätzlich ist ja auch der Mittelwert interessant weil um diesen Wert
> die LED geregelt wird richtig?

Nein.

Geregelt wird da nichts, es wird die LED schnell ein und aus geschaltet, 
das Auge sieht den Mittelwert (oder Tröpfchenbildung).

Erst wenn man eine Spule und eine Diode dazu baut, wurde man den 
Mittelwert des Stromes bilden und die LED quasi mit Gleichstrom 
versorgen.

von HildeK (Gast)


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In dem Link zur Vorlage ist zwar nur eine LED ohne Rv angedeutet, im 
Datenblatt selber (richtige Link: 
http://www.coldtears-electronics.com/images/SGL8022W.pdf) ist immer ein 
Vorwiderstand eingezeichnet.
Da es auch LED-Bänder gibt, die bereits Vorwiderstände enthalten, ist 
dies Andeutung nur ein Hinweis, wo LEDs mit Rv angschlossen werden 
sollen.

L. R. schrieb:
> Der Widerstand hängt auf der Plus Leitung
> hinter den LEDs und dem MOSFET.

Der sollte in Reihe zur LED aber auf der Drain-Seite, also vor dem 
MOSFET hängen. LED + Rv ist als eine Einheit zu sehen, wie z.B. auch 
eine Glühlampe.
Was du an LEDs dran hängst, hängt nur von der Wahl des MOSFETs ab (max. 
Strom) und natürlich von deiner Spannungsquelle. Nicht von dem IC.

L. R. schrieb:
> Bitte korrigiert mich nochmal,
>
> sagen wir mein IC liefert ungefähr gemessene 3.3V Vgs was laut
> "Drain-source on-resistance" einen Output irgendwo zwischen 3.6 und 3.1A
> liefert.
Fast. Der FET hätte bei diesem Strom (nur kurzzeitig zulässig) den 
angegebenen ON-Widerstand. Was nach I²*R_DS_on zu einer bestimmten 
Verlustleistung führt. Zulässig sind allerhöchstens 350mW. Auch der 
Dauerstrom ist wesentlich kleiner: allerhöchstens 2.1A.

> Nun muss ich einen Vorwiderstand wählen der die 3 komma
> irgendwas Ampere für meine LEDS verträglich macht.
Das alleine macht der Vorwiderstand, ja. Dein FET schaltet entweder AUS 
oder EIN, wenn EIN, dann mit einem Widerstand R_DS_on von 45mΩ bzw. 
70mΩ, wenn die Gatespannung 4.5V bzw. 2.5V begträgt. Dann wird ohne 
LED-Vorwiderstand so viel Strom fließen, bis was kaputt geht. Du musst 
also den Widerstand so wählen, dass deine LED auch an einer 
Dauer-DC-Versorgung hängen könnte und ihren maximal zulässigen Strom 
nicht überschreitet.

> Nachdem der MOSFET ja
> über Spannung geregelt wird, kann ich ja die 5 bzw 9mA Output am SO Pin
> vergessen und somit den Gate Widerstand vernachlässigen oder brauche ich
> diesen dennoch?
Der MOSFET wird nicht geregelt, er wird nur geschaltet, EIN oder AUS. 
Und das tut er mit einer Spannung am Gate, die > 2.5V sein sollte für 
EIN oder nahe 0V für AUS. Über eine bestimmte Gatespannung einen 
Drainstrom einstellen zu wollen, geht praktisch nicht sinnvoll. Auch 
nicht bei einem bipolaren Transistor. Der Strom durch den Verbraucher 
bestimmt nur dieser selber (siehe oben), NPN oder FET sollen nur 
schalten - wie bei einem gewöhnlichen mechanischen Schalter.
Im Gegensatz zum NPN-Transistor brauchst du am Gate (theoretisch) keinen 
Widerstand, 330Ω-470Ω wären jedoch sinnvoll zum Schutz vor evtl. 
Überlast des IC, 1k sollte auch gehen, aber über die PWM-Frequenz weiß 
man nichts. Der Strom muss jeweils beim Umschalten die Gatekapazität 
umladen und er kann nur 5mA bzw. 9mA. Ob dem IC eine Stromspitze von 
20-30mA beim Umschalten was ausmacht, geht aus dem Datenblatt nicht 
hervor. Jedenfalls ist es nicht so, dass der IC-Ausgang nur 5mA/9mA 
kann, das ist nur der Nominalwert, bei dem er die Ausgangspegel noch 
einhält und nicht überlastet wird. Wenn du (dauerhaft) mehr forderst, 
wird er schlimmstenfalls kaputt gehen. Das Datenblatt ist leider 
insgesamt sehr schweigsam.
Jedenfalls, solange dauerhaft ein- oder ausgeschaltet ist, braucht der 
FET am Gate keinen Strom. Bei PWM (danach sieht es aus), ist jedoch 
dieser Umschaltvorgang häufig, so dass eine Begrenzung durch einen 
Gatewiderstand sinnvoll ist.

von L. R. (sh4rp)


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Wahnsinns Forum, vielen Dank für die Antworten, langsam macht es klick. 
Werd mir jetzt nochmal ein paar Videos und Texte zum Thema anschauen um 
ganz durchzusteigen.

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