PWM glätten und regelbar machen

[Armin K. (criss)]

Hallo
Ich bin leider kein Elektronik-Experte. Deshalb brauche ich euere Hilfe.

Ich bastle gerade eine Schaltung, mit der ich das PWM-Signal (UH=3,3V, 
f=125kHz, Tastgrad g=regelbar 0-50% ) einer bestehenden LED-Steuerung 
abgreifen und damit zusätzliche LEDs (LED Stripe 12V, max. 200mA) über 
eine separate 12V Spannungsversorgung mitsteuern kann. Der Stripe soll 
zusätzlich einmalig über einen Trimmer in der Helligkeit angepasst 
werden können. Die 12V Versorgungsspannung entnehme ich aus dem gleichen 
Netzteil, welches auch die 3,3V für das PWM-Signal bereitstellt.

Da der LED Stripe bei g=50% auch nur 50% Helligkeit erreicht, ich aber 
100% haben möchte, war mein Gedanke, das PWM-Signal zu glätten und den 
LED Stripe über eine regelbare Konstantstromquelle aus OP und N-FET 
anzusteuern.

Weil ich die Eingangsschaltung (PWM-Signal) nicht zusätzlich belasten 
möchte, soll meine Schaltung komplett über die separate 12V 
Spannungsversorgung betrieben werden. Dachte da auch noch an einen 
Spannungsfolger am Eingang.

Das fertige Ergebnis soll dann sein, dass der LED Stripe von mir über 
den Trimmer auf eine bestimmte Helligkeit eingestellt werden kann und 
dann parallel zur bestehenden LED über das PWM-Signal 
angesteuert/gedimmt wird (im Normalfall dauerhaft mit g=50%, gelegntlich 
aber auch gefadet oder blinkend 0-50%).

Das erste Problem: Nach dem Spannungsfolger kommt das PWM-Signal (bei 
g=50% ca. 1,65V) abgeschwächt und verzerrt heraus (eher als Dreieck ca. 
800mV.)

Das Hauptproblem ist, dass ich die Spannung über den Trimmer zwar 
einstellen kann, diese aber kurz vor max. stark zu schwingen beginnt.

Gibt es eine bessere Alternative, um die Eingangsschaltung nicht zu 
belasten, aber trotzdem ein sauberes PWM-Signal beizubehalten?
Wie kann ich das Schwingen beseitigen (Kondensatorwechsel verschiebt es 
nur).


Gibt es eine alternative Schaltung? Bin gerne für Vorschläge offen. Es 
sollte nur nicht zu kompliziert werden.

[Jester (Gast)]

Dein Q2 verheist jede Menge Leitung. Ist das so gewollt?

[Teo D. (teoderix)]

Lies dir das mal durch:
https://www.mikrocontroller.net/articles/Pulsweitenmodulation#DA-Wandlung_mit_PWM

[Achim S. (Gast)]

Armin K. schrieb:
> Das erste Problem: Nach dem Spannungsfolger kommt das PWM-Signal (bei
> g=50% ca. 1,65V) abgeschwächt und verzerrt heraus (eher als Dreieck ca.
> 800mV.)

was genau meinst du mit den Spannungsangaben? 1,65V Mittelwert und der 
Ripple hat 800mV Spitze- Spitze? könnte hinkommen, dann brauchst du halt 
einen"besseren"Tiefpass.

Armin K. schrieb:
> Das Hauptproblem ist, dass ich die Spannung über den Trimmer zwar
> einstellen kann, diese aber kurz vor max. stark zu schwingen beginnt.

und wenn du die max-Grenze einfach etwas tiefer legst? wenn dein LED 
Streifen den gewünschten max-Strom gerade bei 12V erreicht, dann kann 
deine Regelung nur auf niedrigere Ströme regeln, weil sie zum Regeln 
einen gewissen Spannungsabfall braucht.

[Armin K. (criss)]

Achim S. schrieb:
> Armin K. schrieb:
>> Das erste Problem: Nach dem Spannungsfolger kommt das PWM-Signal (bei
>> g=50% ca. 1,65V) abgeschwächt und verzerrt heraus (eher als Dreieck ca.
>> 800mV.)
>
> was genau meinst du mit den Spannungsangaben? 1,65V Mittelwert und der
> Ripple hat 800mV Spitze- Spitze? könnte hinkommen, dann brauchst du halt
> einen"besseren"Tiefpass.

Oh, sorry: 1,65V Mittelwert vor dem Spannungsfolger, ca. 800mV 
Mittelwert nach dem Spannungsfolger


>
> Armin K. schrieb:
>> Das Hauptproblem ist, dass ich die Spannung über den Trimmer zwar
>> einstellen kann, diese aber kurz vor max. stark zu schwingen beginnt.
>
> und wenn du die max-Grenze einfach etwas tiefer legst? wenn dein LED
> Streifen den gewünschten max-Strom gerade bei 12V erreicht, dann kann
> deine Regelung nur auf niedrigere Ströme regeln, weil sie zum Regeln
> einen gewissen Spannungsabfall braucht.

ich weiß ehrlich gesagt nicht, wie ich das machen soll. Mein Ziel ist 
es, die Schaltung so auszulegen, dass verschieden lange LED-Stripes bis 
max. 200mA angeschlossen werden können. Heißt: Ich werde die Schaltung 
mehrfach bauen, sodass ich je Schaltung einen anderen LED-Stripe 
anschließen kann.

[Michael B. (laberkopp)]

Armin K. schrieb:
> Gibt es eine bessere Alternative,

Der LM358 ist vieeeel zu langsam, C3R4 nicht gross genug.

Ansonsten ist der Aufwand den du treibst immens, aber es sollte 
funktionieren.

[WF88 (Gast)]

Michael B. schrieb:
> Armin K. schrieb:
>> Gibt es eine bessere Alternative,
>
> Der LM358 ist vieeeel zu langsam, C3R4 nicht gross genug.
> Ansonsten ist der Aufwand den du treibst immens, aber es sollte
> funktionieren.

Mit 125khz sollte der bei v=1 zurecht kommen...

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

125kHz sind zuviel für den LM358. Erst glätten, dann verstärken. Den 
ersten OPV kannst du evtl. sogar einsparen.

R9 mit 0R1 sind zu wenig. Der LM358 spürt die 20mV am Eingang fast gar 
nicht. Mach ihn mindestens 1R groß.

[Armin K. (criss)]

Michael M. schrieb:
> 125kHz sind zuviel für den LM358. Erst glätten, dann verstärken. Den
> ersten OPV kannst du evtl. sogar einsparen.

Danke für die Schaltungsoptimierung. Aber glätte ich so nicht auch die 
Ansteuerung des bestehenden Mosfets? Da darf sich nichts ändern.

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Armin K. schrieb:
> Aber glätte ich so nicht auch die Ansteuerung des bestehenden Mosfets?
> Da darf sich nichts ändern!

Wenn dein 3,3V PWM Ausgang immer niederohmig genug ist, sprich einen 
Push-Pull-Ausgang hat, dann hat das nachgeschaltete  RC-Glied keine 
negativen Auswirkungen auf den Mosfet.

[Armin K. (criss)]

Michael M. schrieb:
> Armin K. schrieb:
>> Aber glätte ich so nicht auch die Ansteuerung des bestehenden Mosfets?
>> Da darf sich nichts ändern!
>
> Wenn dein 3,3V PWM Ausgang immer niederohmig genug ist, sprich einen
> Push-Pull-Ausgang hat, dann hat das nachgeschaltete  RC-Glied keine
> negativen Auswirkungen auf den Mosfet.

Kann ich am PWM-Ausgang irgendwie messen oder ermitteln, ob dieser hoch- 
oder niederohmig ist?
Ich kann die Schaltung mangels Schaltplan und teilweise sehr schwierigem 
Ausbau der Platinen nur ein Stückweit zurückverfolgen. Ab dem Punkt an 
dem ich das PWM-Signal abnehme (J5 Pin 2 - Siehe Bild) kann ich es 
zurückverfolgen über ein 150Ohm Widerstandsnetzwerk auf ein FPGA.

[Dietrich L. (dietrichl)]

Armin K. schrieb:
> Kann ich am PWM-Ausgang irgendwie messen oder ermitteln, ob dieser hoch-
> oder niederohmig ist?

Du hängst eine Last an den Ausgang und misst mit dem Oszi, wie weit die 
Spannung in die Knie geht. Über das ohmschen Gesetz kannst du dann den 
Innenwiderstand berechnen.

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Armin K. schrieb:
> Kann ich am PWM-Ausgang irgendwie messen oder ermitteln, ob dieser hoch-
> oder niederohmig ist?

In deinem Fall genügt es im Prinzip, wenn du einfach ein Oszilloskop an 
den Ausgang anschließt und dir das 125kHz Rechtecksignal anschaust. 
Einmal mit RC-Glied dahinter und einmal ohne RC-Glied. Wenn sich das 
Signal in beiden Fällen nicht verändert (keine abgerundeten Ecken), dann 
ist der Ausgang niederohmig genug.

[Armin K. (criss)]

Michael M. schrieb:
> Armin K. schrieb:
>> Kann ich am PWM-Ausgang irgendwie messen oder ermitteln, ob dieser hoch-
>> oder niederohmig ist?
>
> In deinem Fall genügt es im Prinzip, wenn du einfach ein Oszilloskop an
> den Ausgang anschließt und dir das 125kHz Rechtecksignal anschaust.
> Einmal mit RC-Glied dahinter und einmal ohne RC-Glied. Wenn sich das
> Signal in beiden Fällen nicht verändert (keine abgerundeten Ecken), dann
> ist der Ausgang niederohmig genug.

Ich habe jetzt mal die  RC-Glied Schaltung (R=10k, C=1uF mit R100k 
parallel) aufgebaut und mit dem Oszi (Billig-Chinateil DS212) davor und 
danach gemessen. Optisch keine Änderung des Rechtecks. Lediglich der 
Wert RMS und VPP sinkt minimal.

Der Ripple-Wert an C beträgt etwa 35mV Spitze - Spitze

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Armin K. schrieb:
> Der Ripple-Wert an C beträgt etwa 35mV Spitze - Spitze

Das ist ja spitze! Dann könntest du diese Schaltung tatsächlich 
einsetzen, ohne dass es negative Auswirkungen auf den Mosfet hat und 
gleichzeitig noch die Schaltung vereinfachen und durch den zusätzlichen 
100nF Kondensator sogar noch den Ripple eliminieren.

[Wolfgang (Gast)]

Michael M. schrieb:
> ... und durch den zusätzlichen 100nF Kondensator sogar noch den Ripple
> eliminieren.

So, wie der 100nF in der Schaltung sitzt, ist seine Wirkung stark 
abhängig von der Einstellung des Potis. Soll das so sein?

[Armin K. (criss)]

Super. Vielen Dank für die Hilfe. Ich werde das in den nächsten Tagen 
Mal aufbauen und dann berichten.

[Armin K. (criss)]

Wolfgang schrieb:
> Michael M. schrieb:
>> ... und durch den zusätzlichen 100nF Kondensator sogar noch den Ripple
>> eliminieren.
>
> So, wie der 100nF in der Schaltung sitzt, ist seine Wirkung stark
> abhängig von der Einstellung des Potis. Soll das so sein?

Das stimmt natürlich. Ich werde es erstmal ohne versuchen

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Wolfgang schrieb:
> So, wie der 100nF in der Schaltung sitzt, ist seine Wirkung stark
> abhängig von der Einstellung des Trimmers. Soll das so sein?

Ja, weil der 100k Trimmer nur einmalig zum justieren eingestellt wird 
und danach nie wieder:

Armin K. schrieb:
> Das fertige Ergebnis soll dann sein, dass der LED Stripe von mir über
> den Trimmer auf eine bestimmte Helligkeit eingestellt werden kann und
> dann parallel zur bestehenden LED über das PWM-Signal
> angesteuert/gedimmt wird

Der Schleifer wird irgendwo in der unteren Hälfte eingestellt werden, 
der 100nF ist dabei immer nützlich, um den Ripple weiter zu minimieren.

[Armin K. (criss)]

Habe die Schaltung jetzt aufgebaut. Funktioniert sehr gut. Ich musste 
allerdings den 1uF gegen einen 220nF tauschen, da der Stripe beim 
Blinken zu träge war.
Anstelle des 100k Trimmers wurde ein Spannungsteiler mit 100k Widerstand 
und 22k Trimmer eingesetzt.
Der 100nF bringt auch noch eine kleine Verbesserung. Der Ripple liegt 
jetzt bei etwa 20mA.

Jetzt habe ich noch ein Problem, dass es zu lösen gilt. Ich greife 
mehrere PWM Signale ab und jedes davon bekommt die obige Schaltung 
verpasst. Bei einem der PWM Signale benötige ich allerdings zweimal die 
obige Schaltung, da zwei verschiedene LED Stripes angeschlossen werden 
sollen, die separat in der Helligkeit einstellbar sein sollen.

[Alfred B. (alfred_b979)]

Armin K. schrieb:
> Bei einem der PWM Signale benötige ich allerdings zweimal die
> obige Schaltung, da zwei verschiedene LED Stripes angeschlossen werden
> sollen, die separat_in_der_Helligkeit_einstellbar sein sollen.

Leider bin ich unsicher, was Du da als "Problem" siehst
- evtl. hast Du eines, evtl. auch nicht:

1. In der MAXIMALEN Helligkeit, also sonst nichts? Geht,
Du kannst mit zwei solchen Schaltungen zwei Maximalwert-
Einstellungen machen, da Du je ein Poti pro Stripe hast.

(In diesem Fall wäre Deine Sorge also nur, ob solch ein
PWM-Ausgang auch für zwei solche Schaltungen niederohmig
genug, oder?)

Nur dimmt die eine PWM logischerweise beide zugleich.

Führt zur Antwort auf Option 2, was Du evtl. meintest:

2. 2 Stripes separat_dimmen mit nur 1 PWM? Unmöglich.

(In diesem Fall wäre Deine Sorge leider begründet - und
man bräuchte weitere Infos zwecks Lösungsfindung.)

[Fred R. (Firma: www.ramser-elektro.at/shop) (fred_ram)]

Beitrag "1wire2voltage - 1wire Sensor zu 0-10V Konverter zweikanalig"

[Armin K. (criss)]

Ich habe mich vielleicht ein bisschen mißverständlich ausgedrückt.
an ein PWM Signal möchte ich zwei LED Stripes anschließen. Jeweils mit 
der obigen Schaltung davor, die es mir ermöglicht, einmalig die 
Helligkeit des jeweiligen Stripes einzustellen. Dann erden alle Stripes 
parallel mit der vorhandenen LED über das PWM Signal angesteuert.
Mein Gedanke war es, jeweils vor das RC-Glid der Schaltung einen Mosfet 
zu setzen (wie in der bestehenden Schaltung). Das RC Glied dann mit 12V 
versorgen und die Schaltung anzupassen. Das dürfte ja dann das PWM 
Signal noch weniger belasten als ohne Mosfet.

[Prometheus (Gast)]

Nur so als Frage am Rande.
Die oben gezeigte Platine ist deine Steuerung?
Wie kommt da die Firmware drauf?
Weil, das ist ein Spartan6 FPGA. Der macht die paar PWM bestimmt 
nebenbei mit. Dann könntest du die Beliebig einstellen und modifizieren.

Das ist von außen betrachtet etwa so:
Du fährst einen 40t LKW und suchst einen kleinen Fahrradanhänger zum 
drnknoten (Analogschaltung) weil du dein Gepäck nicht wegbekommst. Und 
das nur weil due  nicht an die Ladefläche rankommst.

Die beste, vielseitigste und sparsamste Lösung wäre sicherlich die 
Anpassung des FPGA. Wenn du da nicht dran kommst, hmmm, kann ich dein 
Dilemma gut verstehen.

[Armin K. (criss)]

Prometheus schrieb:
> Nur so als Frage am Rande.
> Die oben gezeigte Platine ist deine Steuerung?
> Wie kommt da die Firmware drauf?
> Weil, das ist ein Spartan6 FPGA. Der macht die paar PWM bestimmt
> nebenbei mit. Dann könntest du die Beliebig einstellen und modifizieren.

Die oben gezeigte Platine ist ein Teil der Steuerung und kann leider 
nicht geändert werden. Die Platine wird mittels der Stiftleisten auf 
eine andere sehr große Platine gesteckt.
Mein Vorhaben ist es, eine Adapterplatine anzufertigen, die zwischen die 
beiden Platinen gesteckt werden kann. Dort werden dann die nötigen 
Signale abgegriffen, verarbeitet und zu JST-Steckern für die LED Stripes 
geführt.

> Die beste, vielseitigste und sparsamste Lösung wäre sicherlich die
> Anpassung des FPGA. Wenn du da nicht dran kommst, hmmm, kann ich dein
> Dilemma gut verstehen.

So ist es leider.

[Armin K. (criss)]

Habe die Schaltung mal erweitert. Würde das so funktionieren?
Bin mir auch bei der Dimensionierung der Widerstände (R3,R4) für die 
Gatespannung vom BSS84 nicht sicher.
Das RC-Glied wird ja nun mit 12V PWM angesteuert. Sollte das RC-Glied 
über einen Spannungsteiler (zwischen Drain und GND) mit geringerer 
Spannung betrieben werden oder ist das egal? Es sollten halt keine 
Verzögerungen zum Original PWM-Signal und auch kein stärkerer Rippel 
entstehen.
Sind weitere Schaltungsoptimierungen erforderlich?

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Armin K. schrieb:
> Sind weitere Schaltungsoptimierungen erforderlich?

Du hattest doch schon festgestellt, dass deine 125kHz Quelle niederohmig 
ist, also brauchst du beide RC-Glied-Eingänge einfach nur noch parallel 
schalten.

Falls du mehr Sicherheit willst, kannst du die RC-Glieder auch von 10k 
und 220nF auf 22k und 100nF verändern, da deine Trimmer RV sowieso nur 
1k8 klein ist, geht das. Mach RV ruhig etwas größer (10k).

[Christian L. (cyan)]

WF88 schrieb:
> Mit 125khz sollte der bei v=1 zurecht kommen...

Die Slew rate ist mit 0,5V/µs viel zu langsam. Aus dem Rechteck am 
Eingang werden dann nur Dreiecke.

[Sebastian S. (dsebastian)]

Armin K. schrieb:
> Sind weitere Schaltungsoptimierungen erforderlich?

Eher eine Frage: dein MMB170 kann maximal 300mW Verlustleistung bei 25°C 
Umgebungstemperatur. Bei 200mA LED-Strom sind die schnell erreicht - 
hast du das geprüft?

Christian L. schrieb:
> WF88 schrieb:
>> Mit 125khz sollte der bei v=1 zurecht kommen...
>
> Die Slew rate ist mit 0,5V/µs viel zu langsam. Aus dem Rechteck am
> Eingang werden dann nur Dreiecke.

Die Schaltung wurde schon mehrfach geändert. Die 125kHz sieht der LM358 
gar nicht, und mit C8/R12 bzw C9/R14 ist bei bummelig 16kHz Schluss 
(v=1); da sehe ich kein Problem.

[Alfred B. (alfred_b979)]

Michael M. schrieb:
> Du hattest doch schon festgestellt, dass deine 125kHz Quelle niederohmig
> ist,

Und das "nach unten UND oben". Die Ausgänge können wohl
sog. Push-Pull (eine Gegentaktendstufe anstatt nur BJT
oder FET lowside/unten plus sog. PullUp-R highside/oben).

Laß doch diesen Ausgang (bzw. diese Ausgänge) die Arbeit
machen, Du brauchst keine 12V um RC-Filter zu treiben,
an deren Ausgängen + Spannungsteiler nur sehr geringe U
rauskommen soll.


Sonst bräuchtest Du pro PWM-Ausgang eine weitere Push-Pull-
Stufe, bzw. falls als CMOS sogar 2 Inverter hintereinander.

12V brächten nichts außer unnötig hoher Verlustleistung.

Sowohl weitere Treiberstufen als auch 12VDC sind unnötig -
verkomplizierten nur alles wesentlich. Weniger ist mehr...

[Armin K. (criss)]

Sebastian S. schrieb:
> Eher eine Frage: dein MMB170 kann maximal 300mW Verlustleistung bei 25°C
> Umgebungstemperatur. Bei 200mA LED-Strom sind die schnell erreicht -
> hast du das geprüft?

Ich hatte bis jetzt maximal 170mA Stripes angeschlossen.
Bei voller Helligkeit fallen dabei am MMBF170 ca. 215mV ab.
Macht gerade mal 40mW. Oder rechne ich falsch?
Habe immer wieder die Gehäusetemperatur überprüft. Eine Erwärmung ist 
mir nicht aufgefallen.

[Armin K. (criss)]

Ich werde morgen mal die Schaltung von Michael M. mit zwei getrennt 
regelbaren LED Stripes aufbauen.
Danke für die vielen Tipps.

[Sebastian S. (dsebastian)]

Armin K. schrieb:
> Macht gerade mal 40mW. Oder rechne ich falsch?

Nein. Also alles prima.
Ich fragte mich nur, mit welchem Spannungbereich der MOSFET eigentlich 
den Strom einstellen kann, wenn bei einer 12V Spannungsversorgung und 
einem 12V LED-Stripe so gar nix mehr übrig bleibt ... und dann hätte es 
ja eine höhrere Spannung bei der Versorgung sein können (anstatt der 
angegeben 12V), daher die Frage ...