Dimmer 24V (10A) gesucht mit PWM-Ansteuerung

Fragen zu Schaltungen, Elektronik, Elektrik usw.

Moderator: T.Hoffmann

p1000
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Mi, 29.08.18, 16:42

Hallo Forum,

für eine LED-Hintergrundbeleuchtung habe ich 17 Backmatrix-Performer 49 verbaut, die an einen Meanwell HLG 240H-24 Netzteil angeschlossen sind (Strom gemessen ca. 7 A bei 24V ohne Dimmung)

Die Hintergrundbeleuchtung soll über einen Arduino in Abhängigkeit von den Lichtverhältnissen gedimmt werden.

Leider ist die Dimmfunktion des Netzteils im unteren Bereich nicht ausreichend (Strom gemessen bei maximaler Dimmung ca. 1,5 A). Benötigt wird eine "Dimmung" bis auf ca. 0,1 A.

Leider kann ich keinen passenden Dimmer mit entsprechender Stombelastbarkeit finden, der mit PWM (über Arduino) ansteuerbar ist. Wenn möglich sollte der Dimmer für den Einbau im Möbeln zugelassen sein und ohne zusätzliche Kühlkörper auskommen.

Hat jemand einen Tipp? Vielen Dank schon mal im Voraus.

Peter
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Achim H
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Mi, 29.08.18, 19:04

Wenn Dein Arduino ein PWM ausgeben kann, dann brauchst Du nur noch einen Fet nachschalten.
PWM_an_Fet.png

24V x 10A = 240W.
Als Fet (n-Kanal) wäre einer mit einem sehr niedrigen Innenwiderstand geeignet.

Link zu Amazon (dort leider nicht verfügbar): IPB020NE7N3 G.

Link zu Mouser: IPB020NE7N3 G --> typ. 2 mOhm (siehe Nachtrag), max. 300W --> 4,45 EUR.
Spannungsabfall (R x I) = 0,002R x 10A = 0,02V
Leistung (R x I²) = 0,002R x 10A x 10A = 0,2W.

[Nachtrag]:
Die Anstiegs- (Rise) und Abfallzeiten (Fall) beim IPB020NE7N3 G betragen:
Rise: 19ns
Fall: 22ns
In Summe: 41ns.

Rechnet man Turn-On-Delay und Turn-Off-Delay hinzu, sind es 137ns (0,000000137 Sek.).

RDS(on) in Abhängigkeit von VGS bei max. 20A. --> siehe Graph "Typ. drain-source on Resistance" im Datenblatt auf Seite 5:
3,5mOhm @ 5V
2,65mOhm @ 5,5V
2,3mOhm @ 6V
2,1mOhm @ 7V
1,8mOhm @ 10V
[Ende des Nachtrag]

Alternativ kannst Du auch 2 Stück (Link zu Reichelt) IRLU3110Z parallel schalten. 2 x max. 140W = max. 280W. Hierfür brauchst Du aber einen kleinen Kühlkörper, mindestens jedoch ein Kühlblech.
Da 2 Fets verwendet werden, braucht jeder nur die Hälfte des Strom schalten: 10A / 2 Fets = 5A.
Spannungsabfall (R x I) = 0,014R x 5A = 0,07V
Leistung (R x I²) = 0,014R x 5A x 5A = 0,35W.
0,35W x 2 Fets = 0,7W.

GND vom PWM muss an GND vom Netzgerät angeschlossen werden.
Zuletzt geändert von Achim H am Fr, 07.09.18, 08:57, insgesamt 3-mal geändert.
p1000
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Do, 30.08.18, 06:51

Hallo Achim und Danke,

genau so hatte ich es auch schon gemacht, allerdings - weil der gerade da war - mit einen IRFZ44N der doch recht schnell heiß wurde. Das sollte mit dem von dir vorgeschlagenen Mosfed wohl nicht passieren. Da das ganze aber später im Wohnzimmer verbaut wird, wäre mir eine mehr oder weniger fertige Lösung lieber, bei der ich sicher sein kann, dass entsprechende Sicherungsmechanismen eingebaut sind, damit der Aufbau im Falle eines Falles nicht abraucht (schlechte Lötstelle, Leiter auf der Platine nicht ausreichend - da kenne ich mich zu wenig aus für die doch schon beachtlichen Stromstärken).

Vielleicht könnte man zur Sicherheit noch einen Thermoschalter einbauen, oder hälts du das für übertrieben?

Gruß Peter
p1000
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Do, 30.08.18, 06:59

wie sieht es denn damit aus? Ist die angegebene Strombelastbarkeit realistisch? Laut Datenblatt des Mosfed: RDS(ON) (at VGS=4.5V)<11mΩ

https://www.ebay.de/itm/AOI4184-MOSFET- ... vL8qog-jqw

Dann bräuchte ich mir zumindest um Platine und Löten keine Gedanken machen..
Borax
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Do, 30.08.18, 08:00

Ich würde meinen eigenen Lötstellen eher mehr trauen als einer fertigen China-Platine. Und als Mosfet würde ich einen einfachen TO220 Typ bevorzugen (z.B.: https://www.reichelt.de/mosfet-n-ch-40v ... 0.html?r=1 Rds(on) = 9 mOhm bei Vgs=4.5V). Die kann man sehr leicht mit einem kleinen Kühlkörper (und ggf. auch Thermosicherung) versehen...
Die Wärmeentwicklung hängt aber auch von der PWM Frequenz und der Flankensteilheit ab. Die Rise und Fall Zeiten sind schließlich nicht beliebig kurz und in diesen Zeiten hat der Mosfet einen wesentlich höheren Widerstand. Sprich je höher die PWM Frequenz desto höher auch die Abwärme. Um die Flankensteilheit zu optimieren, keinen Widerstand zwischen PWM-Ausgang des Arduinos und Gate schalten. Die Ausgänge eines ATMega sind Totem-Pole Ausgänge und brauchen daher keinen PullUp oder PullDown Widerstand.
Zuletzt geändert von Borax am Do, 30.08.18, 08:51, insgesamt 1-mal geändert.
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Achim H
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Do, 30.08.18, 08:45

Ich würde meinen eigenen Lötstellen eher mehr trauen als einer fertigen China-Platine.

Die Lötungen sehen eigentlich ganz gut aus.

Aber:
Schau Dir mal den Schaltplan und die Produktfotos an.
Die össeligen Printklemmen kann man nur für ca. 10A nutzen, keinesfalls aber für 50A --> siehe Artikelüberschrift.

Für 50A müsste man Stück 8197 parallel verwenden.
Link zu Elpro: 8197 (max. 30A).
ustoni
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Do, 30.08.18, 10:27

Das sind einfach wieder die typischen Angaben von ebay-Schrotthändlern.
50A ist der Maximalstrom eines Transistors bei optimaler Kühlung und im reinen Gleichstrombetrieb.
Im gepulsten Betrieb (PWM) und ohne Kühlung beträgt der zulässige Strom einen Bruchteil davon.
Ob das jetzt 2A oder 5A sind, geht aus der unseriösen Artikelbeschreibung nicht hervor.

Was von solchen Händlern zu halten ist, erkennt man schon daran, dass in der Artikelbeschreibung Strom und Spannung verwechselt werden:
Dual N-Typ Mosfet um hohe Ströme (bis 40V) und Spannungen (bis 50A) per Logiklevel (bspw 5V; 3,3V) nach GND zu schalten (Low Side)
Wer sowas bei ebay kauft, ist selbst schuld.
Ist aber die typisch deutsche Krankheit: "Geiz ist geil!" :lol:
p1000
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Do, 30.08.18, 11:05

Ich würde ja gerne auch mehr Geld ausgeben, aber ich kann nichts dergleichen finden.

Habe auch schon bei Lumitronix nachgefragt - die wissen auch nichts. Die FG Elektronik Dimmer sind leider nicht mit PWM ansteuerbar.
ustoni
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Do, 30.08.18, 11:22

Das HLG ist für ausgangsseitige PWM-Dimmung ohnehin nicht geeignet.

Zitat aus dem Datenblatt Seite 4:
Direct connecting to LEDs is suggested. It is not suitable to be used with additional Drivers.
p1000
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Do, 30.08.18, 12:16

Hmm, also da steht genau genommen:

"Direct connecting to LEDs is suggested, but is not suitable for using additional drivers."

Wie soll man das interpretieren? Wir empfohlen aber dann kann man halt keine "driver" anschließen!?
ustoni
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Do, 30.08.18, 13:36

In diesem Satzzusammenhang ist "but" am ehesten mit "jedoch" oder "allerdings" zu übersetzen.

Netzteile, die speziell für den Betrieb von LEDs gedacht sind, sind auch meist für exakt diese Last konstruiert.
Wird etwas anderes als die Diodenstrecke von LEDs angeschlossen, neigen solche Netzteile zu Instabilität.

Für generelle Belastung des Ausgangs (also auch PWM) muss ein entsprechendes Netzteil verwendet werden, z.B. das SP-240-24:
https://www.elpro.org/de/leistung-240-w ... 40-24.html

Die bessere Lösung wäre die Verwendung von Meanwell-Netzteilen der PWM-Serie. Sind mir allerdings nur bis 90 W bekannt, ob es stärkere gibt, weiß ich nicht:
https://www.elpro.org/de/90-watt-ip67-p ... _search=fs

Angesteuert wird das Netzteil ebenfalls wahlweise mit 0-10 V, Widerstand oder 10 V PWM. Regelbereich ist hierbei 0% bis 100%.

Edit:
Hier noch als Nachtrag ein Link zum PWM-120-24. Davon wären dann 2 Stück nötig:
https://www.voelkner.de/products/902634 ... T4QAvD_BwE
p1000
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Do, 30.08.18, 16:52

Ach, das immer alles noch viel komplizierter sein muss als man eh schon denkt....

Das Netzteil PWM-120-24 gefällt mir gut. Vielen Dank für den Tipp. Ich nehme also 2 und schieße sie parallel oder muss ich die LEDs in 2 Kreise aufteilen? Sind die Netzteile so homogen, dass die beiden Kreise bei gleicher PWM-Ansteuerung den gleichen Strom bekommen?

Was würde denn passieren wenn ich nur ein Netzteil nehme. Grundsätzlich würde mir die Helligkeit bei 5A ausreichen. Wenn es Konstantstrom ist sollte das doch gehen, oder?

Und weil ich jetzt ganz sicher gehen will: Das PWM-Signal des Arduino lasse ich über das Gate eines mehr oder weniger beliebigen Mosfed (z.B. 2N7000) laufen. Die beiden DIM-Kabel des Netzteil kommen an Drain und Source. Richtig?

Vielen Dank für die tolle Hilfe hier!
ustoni
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Do, 30.08.18, 17:05

Ich nehme also 2 und schieße sie parallel oder muss ich die LEDs in 2 Kreise aufteilen?

2 Kreise (1x 8 Panel + 1x 9 Panel); für den 8er-Kreis würde dabei auch ein PWM-90-24 reichen.
1. Die Ausgangsspannung beider Netzteile kann innerhalb der Toleranzgrenzen (Datenblatt) abweichen; das würde zu einem unerwünschten Stromfluss bei Parallelschaltung führen.
2. Der Ausgang entspricht einem Rechtecksignal (300 Hz PWM). Parallelschaltung würde nur funktionieren, wenn beide Netzteile absolut synchron laufen.

Die Dim-Eingänge können allerdings parallel geschaltet werden.
Was würde denn passieren wenn ich nur ein Netzteil nehme. Grundsätzlich würde mir die Helligkeit bei 5A ausreichen. Wenn es Konstantstrom ist sollte das doch gehen, oder?
Nein, geht nicht. Es handelt sich um ein Konstantspannungs-Netzteil. Die Dimmung erfolgt ausgangsseitig über ein PWM-Signal, also Pulsweitensteuerung. Während der Einschaltphase fließt der volle Strom.
Das PWM-Signal des Arduino lasse ich über das Gate eines mehr oder weniger beliebigen Mosfed (z.B. 2N7000) laufen. Die beiden DIM-Kabel des Netzteil kommen an Drain und Source. Richtig?
Richtig.
p1000
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Do, 30.08.18, 21:43

und leuchtet dann der Kreis mit 8 Panels genau so hell wie der mit 9 Panels bei gleicher PWM-Ansteuerung der beiden Netzteile?
ustoni
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Do, 30.08.18, 21:51

Ja. Selbst wenn beide Netzteile gegensinnig an den laut Datenblatt erlaubten Toleranzgrenzen arbeiten würden, wäre der Helligkeitsunterschied mit dem Auge nicht wahrnembar. Dafür bräuchte es schon recht präzise Messgeräte. :wink:
p1000
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Di, 04.09.18, 08:01

Vielen Dank noch mal an alle.

Ich werd es jetzt mit 2 PWM Netzteilen machen. Spricht etwas dagegen, die beiden -V Zuleitungen der Netzteile zu den Panels zusammenzulegen? Dann könnte ich mit einem "normalen" 3-adrigen Kabel auskommen.
ustoni
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Di, 04.09.18, 08:10

Die solltest Du als komplett getrennte Kreise auslegen.

Jeder Stromfluss erzeugt einen Spannungsabfall. Es wäre daher theoretisch denkbar, dass sich die Regelkreise der beiden Netzteile gegenseitig beeinflussen.
p1000
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Mi, 12.09.18, 20:48

So, heute kamen die PWM-Netzteile an.

Große Enttäuschung: die Netzteile dimmen nicht wie beschrieben linear bis 0, sondern schalten bei einem Eingangs-Tastgrad unter 10% einfach aus (das ursprüngliche HLG-Netzteil blieb einfach auf 10% Ausgangs-Tastgrad). Jetzt bin ich genau so weit wie vorher....

Hat noch jemand Ideen?
dieterr
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Do, 13.09.18, 07:00

Doch Eigenbau des Dimmers, und das mit dem Netzteil in einem optisch ansprechenden Gehäuse unterbringen.

Aber gleich eine Warnung vorweg: der 12Bit Dimmer des Arduino reicht eigentlich nicht aus, wenn ganz unten fein gedimmt werden soll. Hintergrund ist, dass du nichtlinear ansteuern musst, und speziell im unteren Bereich ein zusätzlicher Dimmwert (von 0-1023) eine deutliche Helligkeitsänderung bewirkt, im oberen Bereich musst du 300 Dimmwerte zugeben, damit sich die Helligkeit nennenswert ändert. Da gibt es spezielle Dimmtabellen, die es anschaulich machen.

Das wird auch der Grund sein, dass die Netzteile unter 10% einfach abschalten.

War das jetzt einigermaßen verständlich?
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Achim H
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Do, 13.09.18, 08:11

der 12Bit Dimmer des Arduino reicht eigentlich nicht aus, wenn ganz unten fein gedimmt werden soll.
...
0-1023

Ist auch kein Wunder, wenn man davon nur den Bereich von 0-1023 nutzt.
12Bit sind 4096 Werte --> 0-4095.
ustoni
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Do, 13.09.18, 09:05

Dieterr hat in seinem Post nirgendwo was davon gesagt, dass er nur den Wertebereich von 0 bis 1023 nutzen will. Wäre ja auch ziemlich dümmlich.

Er hat nur erklärt, dass aufgrund der logarithmischen Helligkeitsempfindung des Auges der Wertebereich von 0 bis 1023 innerhalb des Wertebereichs von 0 bis 4095 einen wesentlichen Bereich der subjektiven Helligkeit abdeckt:
Dimm.jpg
Dimm.jpg (60.04 KiB) 4433 mal betrachtet
Eine Änderung des Helligkeitswerts von z. B. 200 auf 300 ergibt deshalb einen wesentlich größeren Helligkeitssprung als eine Änderung von 3000 auf 3100.
dieterr
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Do, 13.09.18, 10:42

@Ustoni, danke für die Ergänzung, am Mobilgerät bin ich etwas eingeschränkt mit Bildern und Links einfügen.

Der Esp32 ist zwar nicht direkt Arduino, sollte aber 16Bit PWM können. Erfahrungen ob und wieviel das das Dimmen im unteren Bereich verbessert, habe ich aber noch nicht. Projekt für die Wintertage :)
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Achim H
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Do, 13.09.18, 11:28

ustoni hat geschrieben:Eine Änderung des Helligkeitswerts von z. B. 200 auf 300 ergibt deshalb einen wesentlich größeren Helligkeitssprung als eine Änderung von 3000 auf 3100.

Solche Helligkeitssprünge sind doch etwas kontraproduktiv. Wäre es da nicht besser linear zu dimmen?

4095 lässt sich wunderbar in 256 Dimmstufen unterteilen:
15, 31, 47, 63, usw., ... 4095.
Die 0 (Null) braucht man nicht. Zum Ausschalten kann man den Powerknopf betätigen. Somit ergibt sich ein Dimmbereich von ca. 0,4 bis 100%.
ustoni
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Do, 13.09.18, 11:50

Wäre es da nicht besser linear zu dimmen?

Genau darum geht es doch: lineares Dimmen von LEDs ist für das menschliche Auge ungeeignet. Wenn der PWM-Wert linear verändert wird, ändert sich der (bei PWM mittlere) Lichtstrom ebenfalls linear.
Wenn also die PWM auf 10% eingestellt wird, liefert die LED auch entsprechend 10%. Der subjektive Helligkeitseindruck kann je nach maximalem Lichtstrom dann aber durchaus bei 30% der Helligkeit liegen.
Das liegt ganz einfach daran, dass das menschliche Auge logarithmisch arbeitet.

Je höher die Beleuchtungsstärke ist, desto geringer wird eine Änderung der Beleuchtungsstärke wahrgenommen. Umgekehrt bewirkt eine Änderung der Beleuchtungsstärke bei geringen Werten bereits einen stark veränderten Helligkeitseindruck.

Änderst Du z.B. eine Beleuchtungsstärke von 1000 Lux auf 2000 Lux, erscheint Dir die Beleuchtung - wenn überhaupt - nur geringfügig heller.
Änderst Du aber z.B. eine Beleuchtungsstärke von 10 Lux auf 20 Lux, erscheint Dir das gleich mehr als doppelt so hell.

Problem dabei: die erzielte Änderung der Helligkeit beim Dimmen ist von der mit der Leuchte erreichten Beleuchtungsstärke und damit auch vom Lichtstrom der Leuchte abhängig. Bei einer Leuchte mit einem maximalen Lichtstrom von 500 Lumen wird Dir das Dimm-Problem kaum auffallen, ganz einfach weil Du ohnehin komplett im Bereich relativ geringer Beleuchtungsstärken bleibst.
Liefert die Leuchte allerdings gleich Lichtströme im Bereich von 5000 Lumen oder mehr, wird das zum Problem. Dann kann der Raum bei einer PWM-Einstellung von 10% immer noch viel zu hell wirken.

Edit:
siehe hierzu auch folgenden Artikel im Wikipedia:
https://de.wikipedia.org/wiki/Weber-Fechner-Gesetz
p1000
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Do, 13.09.18, 13:14

also mein arduino (oder ich?) kann den analogausgang in 256 Schritten steuern. Das Problem ist aber, dass das PWM-Netzteil von 0 bis 25 aus ist und dann ab 26 zu viel Strom liefert (vermutlich 10%). Steuere ich die LED nicht über die DIM-Funktion des PWM-Netzteils sondern direkt über einen am Arduino angeschlossenen Mosfed klappt das Dimmen wunderbar ab Stufe 1 und ist auch entsprechend dunkel genug.

Da ich jedoch vor den ganzen Tücken der PWM-Modulation (Flankensteilheit, Strombelastung, Kühlung, Wohnungsbrand..) etwas zurückschrecke hatte ich ja eigentlich nach einer "fertigen" Lösung geschaut. Weiter oben waren ja schon verschiedene Mosfed empfohlen allerdings steht z.B. beim IRL1004 im Datenblatt "The TO-220 package is universally preferred for all commercial-industrial applications at power dissipation levels to approximately 50 watts". Wäre ja dann auch wieder zu wenig....

Vielleicht kann mir noch jemand eine erprobte Kombination aus Mosfed und Kühlkörper (gerne auch mit zusätzlicher Thermosicherung) nennen. Dann wage ich's halt doch mal.
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