PWM auf Minuspol (-V) zu PWM auf Pluspol (+V) wandeln

[Stefanino (Gast)]

Hi Profis. Der Laie (ich...) hätte folgende Frage, siehe auch Bild dazu. 
Für ein Bühnen-Schattenspiel baue ich mit High-Power-LEDs Lichtquellen 
(diverse LEDs 700mA bis 1800mA, farbig und weiss). Für einen scharfen 
Schatten ist es wichtig, einen möglichst kleinen Lichtpunkt mit grosser 
Helligkeit zu haben.
Jede LED kriegt ihr eigenes passendes Konstantstrommodul mit in die 
Lampe eingebaut (Mean Well LDD-700H bis -1500H). Zuführung für alle 
Lampen generell 12V.
Das CC-Modul hat auch einen PWM-Eingang zur Dimmung. Nötig ist hier PWM 
in +V. -V liegt auf GND.
Um das ganze in eine Bühnenlichtsteuerung einbinden zu können, wird das 
PWM zum Dimmen für jede einzelne Lampe durch einen Multichannel 
DMX512-Decoder erzeugt (z.B. hier: 
https://shop.dmx4all.de/de/dmx-led-dimmer-16xrgb.html). Dessen PWM liegt 
aber auf dem -V (Die Anode+ teilen sich alle PWM-Kanäle gemeinsam.)
Wie wandle ich nun das Low-Side-PWM der DMX-Karte zu einem High-Side-PWM 
für das Mean-Well-Modul? (Im Bild rot markiert.) Ist vermutlich eine 
einfache Schaltung mit Transistoren, weiss aber nicht grad wie angehen. 
Es sollte alles idealerweise mit dem gleichen Netzteil funktionieren. Es 
fliessen nur kleine Ströme beim PWM-Signal, es dient nur zur Steuerung 
des CC-Modul. Zuführung des PWM über drittes/ev. viertes Kabel zu jeder 
Lampe. Die eigentliche Leistung bringt die 12V-Leitung zu den Leuchten.
Bin für jeden Tipp mit Angaben zu den Bauteilen und der Verschaltung 
super froh. Das Laientheater wird's Euch danken!

[Helge (Gast)]

HEF40106 enthält 6 Inverter und funktioniert bis 15V. Möglicherweise 
brauchst du pro DMX-Ausgang noch 1 Widerstand nach 12V, z.B. 10 kOhm.

[hinz (Gast)]

Das DMX-Modul hat genau die richtigen Ausgänge, lediglich das 
Tastverhältnis ist invertiert.

[Eberhard H. (sepic)]

Die angedachten LED-Treiber vertragen bei Push/Pull-Ansteuerung am 
PWM-Eingang m. E. nicht mehr als 6V. Bei Open-Drain-Ansteuerung des 
PWM-Eingangs wäre kein Pull-Up nötig.

Man könnte platzsparend mehrere 74HC240 (8-fach-Inverter, 
Push/Pull-Ausgänge) nehmen und diese per 5V-Linearregler aus den 12V 
versorgen, oder einfach die 5V am DMX-Modul abzweigen (Stiftleiste 
IR-Sensor).

Dann sind an deren Eingänge Pull-Up-Widerstände nach +5V nötig, da das 
DMX-Modul Open-Drain-Ausgänge hat.

Lässt sich das DMX-Signal nicht am DMX-Controller invertieren?
Dann könnte man sich den ganzen Hardware-Aufwand sparen.

[Eberhard H. (sepic)]

Eberhard H. schrieb:
> Lässt sich das DMX-Signal nicht am DMX-Controller invertieren?

Das sollte natürlich heißen:
"Lässt sich das PWM-Signal nicht per DMX-Controller invertieren?"

[Stefan S. (stefanino)]

Danke Euch für die Antworten.
Ob die DMX-Karte das PWM invertieren kann weiss ich (noch) nicht. Löst 
dies das Problem denn? Für mein Verständnis müsste ja die Polarität des 
PWM geändert werden. Bei den CC-Modulen ist GND der gemeinsame Pol, bei 
der DMX-Karte ist +V der gemeinsame Pol. Mit invertieren des Signals 
(wenn ich das Bauteil HEF40106 richtig interpretiere) wird hier das PWM 
von down zu high und umgekehrt, aber es kommt immer noch als -V raus 
(?). Es ist doch so, dass ich das -V-PWM nicht einfach an den 
+V-PWM-Eingang der CC-Module anschliessen kann? (resp. dann das +V der 
Karte direkt an GND des CC-Moduls, da mache ich ja einen Kurzschluss...)
Den Beitrag von Eberhard habe ich leider zu wenig verstanden, da fehlt 
mir das Elektronik-1x1, sorry...
(Ob das CC-Modul 12V bei PWM verträgt, erschliesst sich leider nicht 
ganz aus dem Datenblatt, werde ich prüfen müssen. Ein Beitrag im Netz 
postuliert, dass es automatisch runtergeregelt wird, da wäre ich aber 
nicht 100% sicher...)

[Stefan S. (stefanino)]

Ich habe nochmals das Bild zur Frage angepasst, auf Hinweis von Eberhard 
betreffend die 5V für das PWM. Ich plane mal mit dem Fall, dass max. 
etwa 6V beim PWM-Eingang möglich sind. Wer kann mir die Schaltung in den 
Feldern mit dem "?" angeben? Am liebsten als Zeichnung mit allen nötigen 
Anschlüssen. Allenfalls mit dem von Eberhard vorgeschlagenen Bauteil 
74HC240 wenn dies sinnvoll ist. Lieben Dank an alle.

[hinz (Gast)]

Nochmals: du kannst die Ausgänge deines DMX-Decoders direkt an die 
Dimm-Eingänge deiner LED-Treiber hängen. Es ist dann lediglich minimale 
und maximale Helligkeit vertauscht.

[Eberhard H. (sepic)]

Hallo Stefan,

meine Frage bezog sich auf den DMX-Controller (entweder DMX-Konsole oder 
DMX-Software).

Es wäre zumindest per Option denkbar, statt den eingestellten 
Helligkeitswerten (= PWM-Tastverhältnisse) für die vorgesehene DMX-Karte 
einfach das 1er-Komplement (255 - Helligkeit = invertiertes Byte) der 
einzelnen DMX-Kanäle auf die DMX-Leitung zu geben, um an den bisher 
LOW-aktiven PWM-Ausgängen der DMX-Karte die für die LED-Treiber nötigen 
HIGH-aktiven PWM-Signale zu erhalten.

Aus dem Datenblatt der DMX-Karte (des DMX-Moduls) ist nicht ersichtlich, 
ob sich die einzelnen PWM-Signale lokal invertieren lassen (ich denke 
eher nicht, obwohl es technisch trivial wäre).

Wo man die Invertierung der Signale durchführt ist egal. Per Software 
wäre es natürlich am wenigsten aufwendig.

Wenn es weder per DMX-Controller-Software (bzw. per DMX-Konsole), noch 
auf der DMX-Karte geschehen kann, bleibt nur noch die Invertierung per 
Hardware, sprich ein Logik-Inverter-Gatter pro PWM-Kanal, wie 
vorgeschlagen.

Dabei ist die Bezugsmasse von DMX-Karte (GND), den LED-Treibern (-Vin) 
und den Logik-Invertern (GND) immer dieselbe.

Die positive Versorgung ist im vorliegenden Fall  dieselbe für die 
DMX-Karte (POWER+ bzw. +12V) und die angeschlossenen LED-Treiber (+Vin).

Möglicherweise haben die Anoden der LEDs (+Vout) denselben 
Spannungspegel wie +Vin. Das muss aber nicht zwingend der Fall sein 
(hängt von der internen Schaltung ab).

Logik-ICs der 4000er-Serie könnte man ebenfalls mit den vorhandenen +12V 
versorgen. Meines Wissens gibt es aber keine 4000er-Inverter mit 
Open-Drain-Ausgängen (die bei 12V-Versorgung m. E. zum korrekten 
Ansteuern der LED-Treiber nötig sind).

Logik-ICs der 74HC-Serie kann man mit bis zu 6V versorgen, wobei 5V 
naheliegend sind, da am IR-Stecker bereits 5V zur Verfügung stehen 
(sonst geht auch ein separater 5V-Linearregler, der von den 12V gespeist 
wird).

Für alle 48 PWM-Kanäle würde man also 6x 74HC240 (8-fach-Inverter, 20 
Pins) benötigen.
Stattdessen gingen auch 8x 74HC04/05/14, aber auch der bereits genannte 
CD40106 (alles 6-fach-Inverter, 14 Pins).

Falls du statt ICs lieber diskrete MOSFETs (z. B. BS170) lötest, ginge 
das auch [1].

Wie bereits geschrieben, benötigen alle Eingänge der Logik-ICs (und auch 
Einzel-MOSFETs) für definierte Pegel einen Pull-Up-Widerstand (wegen den 
Open-Drain-Ausgängen der DMX-Karte) und zwar bei 5V-Versorgung nach +5V, 
sonst nach +12V (auch bei Einzel-MOSFETs).

Oder du programmierst die Helligkeit entgegengesetzt (hell -> dunkel und 
umgekehrt). Dann kannst du die PWM-Eingänge der LED-Treiber mit 
gemeinsamer Masse direkt an den PWM-Ausgängen der DMX-Karte anschließen 
(wie von hinz erwähnt). Dann sind auch keine Pull-Up-Widerstände nötig.

Die zuletzt genannte Variante kannst du einfach testen, falls die 
Hardware schon vorliegt.

[1] Das hebt die invertierende Funktion der Ausgangs-MOSFETs auf der 
DMX-Karte wieder auf.

[Stefan S. (stefanino)]

hinz schrieb:
> Nochmals: du kannst die Ausgänge deines DMX-Decoders direkt an die
> Dimm-Eingänge deiner LED-Treiber hängen. Es ist dann lediglich minimale
> und maximale Helligkeit vertauscht.

Okey...? Da habe ich einen Knopf im Kopf. Braucht das CC-Modul denn 
nicht ein Potential von +5V zwischen PWM-Eingang und GND? Wie baut sich 
nun ein Potential auf, wenn ich die -V-PWM der DMX-Karte (die ja 
eigentlich der Spannung von GND entsprechen, nämlich 0V) an die PWM der 
CC-Module hänge? Ich nehme an, den +V-Ausgang der DMX-Karte ignoriere 
ich in diesem Fall einfach? Ich kann ja auch nicht den +V-Ausgang der 
DMX-Karte an die PWM-Eingänge des CC-Moduls hängen und das PWM-Signal 
auf GND legen, da bleibt die Spannung beim PWM ja immer +12V, egal was 
die DMX-Karte schaltet (weil der +12V-Ausgang bei der DMX-Karte 
vermutlich einfach zum +Vin durchgeschlauft ist.)

[Eberhard H. (sepic)]

Nochmals, das gilt immer:

Eberhard H. schrieb:
> Dabei ist die Bezugsmasse von DMX-Karte (GND), den LED-Treibern (-Vin)
> und den Logik-Invertern (GND) immer dieselbe.
>
> Die positive Versorgung ist im vorliegenden Fall  dieselbe für die
> DMX-Karte (POWER+ bzw. +12V) und die angeschlossenen LED-Treiber (+Vin).

Der PWM-Eingang des LED-Treibers hat vermutlich intern einen 
Pull-Up-Widerstand nach ca. +5V (+5V von außen nicht zugänglich).

Deshalb kann man diesen PWM-Eingang entweder per Open-Drain-Ausgang (wie 
bei der DMX-Karte oder einem CMOS-IC mit Open-Drain-Ausgang, beide 
schalten nach GND) oder per 5V-Push/Pull (wie bei einem CMOS-IC mit 
Push/Pull-Ausgang, schaltet zwischen +5V und GND) ansteuern.

[Stefan S. (stefanino)]

Eberhard H. schrieb:
> Falls du statt ICs lieber diskrete MOSFETs (z. B. BS170) lötest, ginge
> das auch [1].

Finde die Lösung mit den Einzelmosfets sympathisch. Ist es so richtig 
gedacht mit Einsatz eines 5V-Konverter? Siehe bitte Bild. Wäre für alle 
Ausgänge identisch aufgebaut. Reicht so ein einfaches Bauteil wie dieses 
hier?: 
https://www.conrad.de/de/p/on-semiconductor-bs170-mosfet-1-n-kanal-350-mw-to-92-158950.html
Fliessen ja keine grossen Ströme.
Besten Dank für Eure Unterstützung.

[Eberhard H. (sepic)]

Das ist genau jener MOSFET, den ich empfohlen hatte.

Der Source-Anschluss der MOSFETs (N-Kanal) kommt aber an den gemeinsamen 
GND (und nicht an +5V).

Der Drain-Anschluss des MOSFETs geht an den PWM-Eingang des 
LED-Treibers.

Der Gate-Anschluss des MOSFETs wird von einem der PWM-Ausgänge der 
DMX-Karte angesteuert. Gleichzeitig geht von dort ein Pull-Up-Widerstand 
nach +12V (keinesfalls mehr als 20V, falls mit einer anderen 
Versorgungsspannung gearbeitet wird).

Man könnte die MOSFETs und deren Pull-Up-Widerstände jeweils bei den 
LED-Treibern anbringen. Oder man montiert alle MOSFETs nebst 
Pull-Up-Widerständen auf einer größeren Platine oder mehreren kleineren 
Einzel-Platinen (so wie man es bei Verwendung von Inverter-ICs auch 
gemacht hätte).

Eine separate 5V-Versorgung ist bei der MOSFET-Methode natürlich nicht 
mehr nötig.

Bevor Einwände kommen, sollte ich noch ein Detail genauer beschreiben:

> Der PWM-Eingang des LED-Treibers hat vermutlich intern einen
> Pull-Up-Widerstand nach ca. +5V (+5V von außen nicht zugänglich).

Genau genommen hat der LED-Treiber intern eine kleine 
Konstantstromquelle, damit man auch mit einem externen Widerstand dimmen 
kann.

Diese wirkt bei PWM-Betrieb mit einer Open-Drain-Ansteuerung wie ein 
Pull-Up-Widerstand.

[hinz (Gast)]

Eberhard H. schrieb:
> Das ist genau jener MOSFET, den ich empfohlen hatte.

Naja, BS170 ist recht zimperlich was ESD betrifft, hat ja auch ein gar 
ganz kleines Gate. Ein Bipolartransistor wie BC547 ist da 
pflegeleichter.

[Stefan S. (stefanino)]

Eberhard H. schrieb:
> Eine separate 5V-Versorgung ist bei der MOSFET-Methode natürlich nicht
> mehr nötig.
>
Das vereinfacht es natürlich.

> Bevor Einwände kommen, sollte ich noch ein Detail genauer beschreiben:
>
>> Der PWM-Eingang des LED-Treibers hat vermutlich intern einen
>> Pull-Up-Widerstand nach ca. +5V (+5V von außen nicht zugänglich).
>
> Genau genommen hat der LED-Treiber intern eine kleine
> Konstantstromquelle, damit man auch mit einem externen Widerstand dimmen
> kann.
>
> Diese wirkt bei PWM-Betrieb mit einer Open-Drain-Ansteuerung wie ein
> Pull-Up-Widerstand.

Das ist eine interessante Anmerkung. In meinen Überlegungen denke ich 
daran, die Leuchten allenfalls als Handleuchte mit 12V-Akku betreiben zu 
können. Dann wäre Handdimmen an der Leuchte super. Mit Schalter zum 
umschalten von extern gesteuert auf intern. Wo kommt der Widerstand 
(Drehpoti?) denn hin und wie gross müsste der sein?

hinz schrieb:
> Eberhard H. schrieb:
>> Das ist genau jener MOSFET, den ich empfohlen hatte.
>
> Naja, BS170 ist recht zimperlich was ESD betrifft, hat ja auch ein gar
> ganz kleines Gate. Ein Bipolartransistor wie BC547 ist da
> pflegeleichter.

Ok, gibt's auch bei Conrad :-) Anschlüsse analog wie bei BS170 von 
Eberhard beschrieben? (Gate (G) als Basis, Drain (D) als Kollektor und 
Source (S) als Emitter)

Bestelle und baue das ganze mal zusammen und melde das Ergebnis :-) 
Danke Euch für die Unterstützung. Nächste Weiterbildung bei mir müsste 
wohl ein Elektronikkurs sein...

[Eberhard H. (sepic)]

Bei einem BC547 wäre für störungsfreien Betrieb zusätzlich zum 
Pull-Up-Widerstand noch wenigstens ein weiterer Widerstand nötig 
(Basis-Emitter), wenn man den PWM-Ausgang der DMX-Karte für eine 
möglichst einfache Beschaltung direkt auf die Basis gibt.

Das wird dann aber schon ein größerer Bauteileaufwand (48 Transistoren 
und wenigstens 96 Widerstände).

Mit sogenannten Digital-Transistoren (integrierte Widerstände) könnten 
man etwas Aufwand einsparen, allerdings sind die preisgünstigen 
Ausführungen meist im SMD-Gehäuse. Aber auch hier wären 
Pull-Up-Widerstände an den PWM-Ausgängen der DMX-Karte nötig.

Falls man mit diskreten MOSFETs generell Bedenken hat (bei solidem 
Aufbau und solider Verdrahtung hätte ich keine), sollte man gleich zu 
bipolaren Treiber-ICs greifen.

Die gängigen Darlington-Ausführungen (wie ULN2804A) gehen allerdings 
nicht, da deren Ausgangs-LOW-Pegel zum Ansteuern der angedachten 
LED-Treiber nicht niedrig genug ist.

Aber es gibt einige Exoten, die geeignet wären:

SN75437A (4-fach, 16 Pins, integrierte Eingangs-Pull-Up nach +5V).
SN7547x (2-fach, 8 Pins, integrierte TTL-Eingangs-Pull-Up nach +5V).
TPL7407LA (7-fach, SOP-16, TTL-Eingangs-Pull-Up nach +5V, 
NMOS-Ausgänge).

74LS240 (8-fach, 20 Pins) oder 74LS14 (6-fach, 14 Pins) mit integrierten 
TTL-Eingangs-Pull-Up nach +5V gingen ebenfalls (und sind auch keine 
Exoten).

Mit einem 74LS14 könnte man immer einen 2-fach-RGB-Anschluss der 
DMX-Karte abdecken.

Man würde für diese bipolaren Inverter aufgrund der internen 
Pull-Up-Widerstände bei kurzen Verbindungsleitungen zur DMX-Karte also 
nur eine zusätzliche 5V-Versorgung benötigen (und nicht die vielen 
Widerstände), wegen der höheren Stomaufnahme der bipolaren Bausteine 
aber eher durch einen separaten 5V-Linearregler (per +12V versorgt).

Keinesfalls darf man die Stützkondensatoren (100 nF keramisch) an den 
ICs vergessen.

Stefan S. schrieb:
> Dann wäre Handdimmen an der Leuchte super. Mit Schalter zum
> umschalten von extern gesteuert auf intern. Wo kommt der Widerstand
> (Drehpoti?) denn hin und wie gross müsste der sein?

Oops, ich glaube, ich habe mich getäuscht. Das geht nur bei den 
"größeren" LED-Treibern von Mean Well (die ich schon eingesetzt habe), 
nicht jedoch bei den angedachten einfachen Ausführungen.

Jedoch hier gibt es eine Lösung zum Poti-Dimmen, die auch mit den 
einfachen klappt: 
http://www.led-treiber.de/html/pwm-dimmen.html#PWM-Dimmer

[Eberhard H. (sepic)]

Habe nochmals die Datenblätter der LDD-LED-Treiber von Mean Well 
angeschaut:

Die L-Ausführung erlaubt bei den größeren Strömen auch analoges 
Dimmen, siehe Bild.

Wenn man per Linearregler 2,5V erzeugt (aus +12V), kann man per 
Poti-Abgriff auf den Dimm-Eingang gehen und so zumindest bei den 
LDD-1xxxL einigermaßen einfach Poti-Dimmen.