PWM für 12V-Stripes

Schaltungen, Widerstände, Spannung, Strom, ...

Moderator: T.Hoffmann

PWM für 12V-Stripes

Beitrag am Di, 08.08.17, 15:12 (0 Bewertungen, 30 Sterne)

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Hi liebe Leute,
habe die Forensuche bemüht aber nichts entsprechendes gefunden.

Mich beschäftigt zurzeit folgende Frage: wie lässt sich am besten/einfachsten ein z.B. LED-Fader für handelsübliche 12V-Stripes realisieren?
Ich habe dazu dieses Projekt gefunden, das mir logisch erscheint. Hier wird nach GND geschaltet, was für Spannungen über 5V ja angeraten wird. Die genannten N-Channel-MOSFETs sind zwar für meine Anlässe überdimensioniert, aber daran soll es ja nicht scheitern. Auch würde ich einen ATMEGA32 statt dem Arduino verwenden, diesen mit 5V versorgen und ein anderes Netzteil (12V) für die Versorgung der Stripes verwenden. Ich verstehe nur nicht, wieso in manchen anderen Projekten zusätzlich noch ein NPN zwischen µC und MOSFET eingesetzt wird.

Also wenn wir von 5M RGB-Strip mit gemeinsamer Anode ausgehen, dann müsste es doch reichen, pro Kanal per PWM einen N-MOSFETS anzusteuern (siehe Skizze). Wozu also könnte ich nun noch einen Transistor zwischen µC und MOSFET benötigen?

Weiters bin ich leider immer noch ziemlich ratlos wenn es zu Pull-Up bzw. Pull-Down Widerständen kommt. In der Skizze ist ja weder noch vorhanden. D.h. solange kein PWM-Signal ankommt, hängt ja Drain in der Luft. Ich hätte daher vermutet, dass ein Pull-Up Widerstand von Drain auf 12V anzuraten wäre. Wie wirkt sich denn dieser fehlende Pull-Up bzw. der dadurch undefinierte Pegel aus?

Ich bin für alle Ratschläge, Erklärungen und Tipps dankbar!
Lg
grange
 
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Re: PWM für 12V-Stripes

Beitrag am Di, 08.08.17, 19:56 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Mir wurde gesagt, Attiny können direkt an die Gates, siehe http://www.ledhilfe.de/viewtopic.php?f=35&t=23405 Ich habe zwar auch noch Pull downs an die Gates drin ,aber eher aus historischen Gründen - weil ich das so gewohnt bin. Und um unkontrolliertes Leuchten zu vermeiden.

grange hat geschrieben: hängt ja Drain in der Luft. Ich hätte daher vermutet, dass ein Pull-Up Widerstand von Drain auf 12V anzuraten wäre.


Du meinst auch Gate, oder?
dieterr
 
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Re: PWM für 12V-Stripes

Beitrag am Mi, 09.08.17, 09:45 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Hey,

an Pull-Ups am Gate hätte ich eigentlich gar nicht gedacht.
Nur wenn kein PWM-Signal an Gate ankommt und der MOSFET sperrt, ist - dachte ich - das Potential zwischen 12V des Stripes und GND nicht definiert. Wie gesagt habe ich zu diesem Thema einen dicken Knoten im Hirn und weiß auch nicht so recht wie ich mich ausdrücken soll. Vielleicht ist ein Pull-Up hier auch völlig fehl am Platz, da nur geeignet/sinnvoll für Eingänge vom µC. Denn wenn der MOSFET sperrt, fließt sowieso kein Strom (und das will ich ja erreichen).

lg
grange
 
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Re: PWM für 12V-Stripes

Beitrag am Do, 10.08.17, 13:07 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Ne, am Drain braucht es gar nichts. Die LEDs / Last reicht.
Und ich wäre eher für pull-down :) Aber wie gesagt, richtig notwendig sind auch die nicht.
dieterr
 
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Re: PWM für 12V-Stripes

Beitrag am Do, 10.08.17, 13:19 (1 Bewertungen, 10 Sterne)

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Genau. Die Ausgänge von AVRs sind Totem-Pole Ausgänge (wenn die als Ausgang definiert wurden) und verbinden dann das Gate aktiv mit GND oder Vcc. Daher sind keine PullUp / PullDown Widerstände nötig. Nur wenn der AVR keinen Strom hat, ist das Potential nicht ganz so eindeutig. Letztlich sorgen dann aber die Schutzdioden im AVR auch dafür, dass sich hier kein 'unkontrolliertes' Potential aufbaut. Sprich es bleibt klein genug, damit der Mosfet gesperrt bleibt.
Borax
 
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Re: PWM für 12V-Stripes

Beitrag am Do, 10.08.17, 13:43 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Super, dankeschön für die Erläuterungen.
Ich habe die letzten Tage nun auch noch recherchiert und bin nun für mich zu folgendem Conclusio gekommen:

*) pro Kanal braucht es einen MOSFET, der aufgrund der Last über einen Treiber angesteuert werden müsste (Totem-Pole) um vernünftige Schaltzeiten zu erreichen bzw. die Verlustleistung und die damit verbundene Erwärmung zu vermindern
*) alternativ dazu kann ich einen Logic-Level MOSFET verwenden, da hier die vom µC bereitgestellte Spannung ausreicht um den MOSFET voll durchzuschalten. Das erklärt auch, wieso im gelinkten Tutorial keine weiteren Transistoren im Einsatz sind. Hierzu hätte ich den IRF3708 im Visier, der lt. Datenblatt für meine Zwecke ausreichen müsste.

Stimmt das nun soweit? Und würden sich die längeren Schaltzeiten bzw. Verlustleistung/Erwärmung überhaupt für meinen Anwendungsfall bemerkbar machen? Ich habe rund 6m 5050 RGB-Strip in einer Deckenlampe verbaut, die momentan von einem China-Controller (12V, 2*3A max) gesteuert werden. Ich möchte die Schaltung gleich korrekt aufbauen, nur würde mich eben interessieren ob eine Steuerung per MOSFET ohne Treiber hier wirklich problematisch wäre.


Danke euch nochmals & viele Grüße
grange
 
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Re: PWM für 12V-Stripes

Beitrag am Do, 10.08.17, 15:12 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Hast Du richtig verstanden. Der IRF3708 passt auch sehr gut. Wobei es bei 5V Betriebsspannung auch der alte IRLZ34N tun würde (kostet nur die Hälfte).
Und würden sich die längeren Schaltzeiten bzw. Verlustleistung/Erwärmung überhaupt für meinen Anwendungsfall bemerkbar machen?

Nein. Wenn Du eine 'übliche' PWM Frequenz von 200 - 500 Hz verwendest, spielt das keine so große Rolle. Da brauchst Du weder Treiber noch Kühlung für die Mosfets.
Borax
 
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Re: PWM für 12V-Stripes

Beitrag am Fr, 11.08.17, 09:03 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Ah, super - danke für den Tipp mit dem IRLZ34N!
Bezüglich Frequenz: kann man sagen dass man über die Zeit, die der HEXFET für einen gesamten Zyklus benötigt abschätzen kann, wieviele Zyklen sich da ausgehen?
Aus dem Datenblatt entnehme ich z.B. ca. 160ns für einen Zyklus:

Turn-On Delay Time: 8,9ns
Rise Time: 100ns
urn-Off Delay Time: 21ns
Fall Time: 29ns

(alles angegeben für eine Last von 10A, 28V bei 5V Gate-Source Spannung. Sollte für meine Anwendung also ein wenig flotter sein)

Das wären also theoretische 6,25MHz, was wohl nicht stimmen kann. Woran kann ich mich also orientieren, welche PWM-Frequenz in Ordnung ist? Oder kommen die Werte für diesen HEXFET wirklich hin? Schließlich ging es ja darum, dass ein nicht-logic-level-MOSFET ohne Treiberschaltung bei > 500 Hz problematisch wird.


Danke nochmals herzlich für die Erläuterungen :)
lg
grange
 
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Re: PWM für 12V-Stripes

Beitrag am Fr, 11.08.17, 09:13 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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grange hat geschrieben:Aus dem Datenblatt entnehme ich z.B. ca. 160ns für einen Zyklus:


Habe jetzt nicht nachgerechnet, aber das kann schon hinkommen. Und ist, für deinen Fall wirklich ohne Relevanz. Ein nicht LL-Mosfet ist in deinem Fall generell nicht ideal, weil er im Linearbereich bleibt, und nicht voll durchschält - bei jeder Frequenz. Nur je höher die wird, desto mehr schlecht ist es.

Du kannst also die PWM gerne mit 1MHz laufen lassen :D Was den Mosfet angeht - bzgl. EMV / Funkstörung sieht es dann aber anders aus.
dieterr
 
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Re: PWM für 12V-Stripes

Beitrag am Fr, 11.08.17, 09:17 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Und je höher die Frequenz, desto schlechter, weil quasi Rise und Fall nicht fertig werden? Versuche ja nicht zwingend 1MHz PWM-Frequenz zu realisieren sondern eher zu verstehen wie ich anhand des Datenblattes die richtige Frequenz finde :)

Kannst du bitte noch etwas mehr zu EMV/Funkstörung ausführen? Möchte mir ja nicht gleich den nächsten Nagel eintreten :D
Dankeschön!
grange
 
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Re: PWM für 12V-Stripes

Beitrag am Fr, 11.08.17, 12:02 (1 Bewertungen, 10 Sterne)

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Und je höher die Frequenz, desto schlechter, weil quasi Rise und Fall nicht fertig werden

Ja. Im Extremfall schon. Und in diesem Fall bleibt dann auch recht viel Strom am Mosfet hängen (weil er ja dann während Rise und Fall mehrere Ohm Widerstand hat) und dann wird er heiß.
Bei hohen Frequenzen (>> 10 kHz) ist es also nötig, die Gate Kapazität möglichst schnell umzuladen.
Ferner wird auch der AVR in diesem Fall ein wenig hoch belastet. Die Gate-Kapazität stellt ja für den Ausgangspin zunächst einen Kurzschluss dar. In diesem Fall fließen locker 50-100mA (aber eben nur Nanosekunden lang). Bei hohen Frequenzen fließen diese 50-100mA aber dann eben auch entsprechend oft und dann wird auch der AVR zu warm.
wie ich anhand des Datenblattes die richtige Frequenz finde

Die Frage ist ein wenig falsch herum... Anhand des Datenblattes kannst Du die maximal mögliche Frequenz unter den gegebenen Bedingungen abschätzen. In diesem Fall ist aber die 'nötige' Frequenz so weit von der maximalen weg, dass man sich die Mühe sparen kann. ;)
Kannst du bitte noch etwas mehr zu EMV/Funkstörung ausführen?

Da bin ich auch nicht der Profi. Aber auch hier gilt: Bei Frequenzen 'im hörbaren Bereich' ist das kein so großes Problem. Um das noch weiter zu 'entschärfen' kannst Du zwischen ARV Ausgangspin und Gate noch einen Vorwiderstand schalten (10-100 Ohm). Dadurch sinkt die Flankensteilheit (sprich Rise und Fall werden länger), und die Oberwellen werden stark abgeschwächt.
Zu weit sollte man es damit aber auch nicht treiben, weil z.B. bei 1000 Hz PWM Frequenz und 8 Bit PWM die kürzeste Pulslänge schon nur noch rund 4µS lang ist.
Borax
 
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Re: PWM für 12V-Stripes

Beitrag am Fr, 11.08.17, 12:07 (0 Bewertungen, 0 Sterne)

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Super, nochmals vielen Dank!
grange
 
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