LEDs dimmen mit Arduino-Microcontroller

[BastiVme]

Hallo,

Ich bin absoluter Elektrik-Neuling und habe eine kleine Aufgabe zu bewältigen.

Un zwar habe ich 6 bis 10 seperate LED-Einheiten die mit 12V versorgt werden.
Ein 12V Netzteil, von dem aus ich dann die LED-Einheiten parallel schalte.
Dabei ist noch nicht sicher, ob ich LED-Leisten, LED-Cluster oder selbst zusammengelötete LEDs nutze.
Erstere beiden haben den Vorteil, dass sie problemlos an ein 12V Netzteil angeschlossen werden können.

Jede dieser Einheiten, soll seperat gedimmt werden können.
Mein Arduino-Microcontroller hat eine Betriebsspannung von 5V, erlaubt aber einen Bereich von 7-12V, soweit ich das verstehe.
http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega

The board can operate on an external supply of 6 to 20 volts. If supplied with less than 7V, however,
the 5V pin may supply less than five volts and the board may be unstable. If using more than 12V,
the voltage regulator may overheat and damage the board. The recommended range is 7 to 12 volts.

Operating Voltage.................... 5V
Input Voltage (recommended).. 7-12V
Input Voltage (limits)................ 6-20V

Ich bin mir nicht ganz sicher, was das bedeutet.
Ich hoffe, dass ich mit externer Stromversorgung auch 12V Signale zum Regeln der einzelnen Einheiten erzeugen kann. (werde ich versuchen)
Wenn das nicht geht, brauche ich 2 seperate Stromkreise, einen 12V Stromkreis für die LEDs und einen 5V Stromkreis für die Ansteuerung.
Um die 2 Stromkreise miteinander interagieren zu lassen bräuchte ich einen 0-5V elektrisch steuerbaren Dimmer,
der dann dafür sorgt, dass die LEDs nahezu stufenlos an und aus gehen.
Das Problem ist, dass ich so einen Dimmer nicht finden kann, oder zumindest erkenne ich ihn nicht als solchen.

Ich hoffe ich habe meinen Plan verständlich zu Papier gebracht
1) Stimmen meine Überlegungen soweit?
2) Geht es, dass ich nur ein Netzteil für alle 6-10 LED-Einheiten verwende, oder ist das zu schwach?
Brauche ich 24V?
3)Gibt es so einen Dimmer, den ich suche? Wo schau ich da am besten, bei Conrad-Elektrofachgeschäft bin ich nicht fündig geworden (online-shop).
Ein Link wäre klasse.

Ich bedanke mich schonmal, beste Grüße
Basti

[ryestone]

Willkommen im Forum!

Mit Microcontrollern kenne ich mich nicht so aus, ich vermute aber, dass der zwar mit einer Betriebsspannung 7 - 12 V versorgt werden kann, aber an den Ausgängen immer die 5 V ausgibt.

Wie Du nach dem gleichen Prinzip wie bei den Leisten und Clustern einzelne LEDs für 12 V verschalten musst findest Du hier:
viewtopic.php?f=34&t=5363
Selbstverständlich kannst Du alle LED-Einheiten mit einem Netzgerät versorgen wenn dessen Leistung ausreicht.

Mit dem Dimmer habe ich gerade auch keine Idee, der Controller hat ja auch PWM-Ausgänge, vielleicht läßt sich darüber eine Dimmung direkt realisieren, dann eben mit Einzel-LEDs mit Vorwiderstand für 5 V.

Wo sind die Microcontroller-Spezialisten?

[Borax]

Hallo Basti,
welcome on board!

Ich hoffe, dass ich mit externer Stromversorgung auch 12V Signale zum Regeln der einzelnen Einheiten erzeugen kann. (werde ich versuchen)

Nein. Ist aber auch eigentlich nicht nötig:

bräuchte ich einen 0-5V elektrisch steuerbaren Dimmer,

Wo kommen die 0 bis 5V her?

Üblicherweise werden LEDs über PWM gedimmt. Das kann bestimmt auch der Arduino-Microcontroller. Was genau soll der eigentlich tun?

Un zwar habe ich 6 bis 10 seperate LED-Einheiten die mit 12V versorgt werden.
Ein 12V Netzteil, von dem aus ich dann die LED-Einheiten parallel schalte.
Dabei ist noch nicht sicher, ob ich LED-Leisten, LED-Cluster oder selbst zusammengelötete LEDs nutze.

Hast Du jetzt schon diese Einheiten, oder sollen die erst gebaut werden? Wie ryestone schon sagte kann man auch selbst zusammengelötete LEDs problemlos an 12V anschließen.

Ich bin absoluter Elektrik-Neuling

Für einen absoluten Elektrik-Neuling ist das aber schon ein recht ambitioniertes Projekt (soll keine Kritik sein!)

[BastiVme]

Mit Microcontrollern kenne ich mich nicht so aus, ich vermute aber, dass der zwar mit einer Betriebsspannung 7 - 12 V versorgt werden kann, aber an den Ausgängen immer die 5 V ausgibt.

Das glaube ich leider auch.

Wie Du nach dem gleichen Prinzip wie bei den Leisten und Clustern einzelne LEDs für 12 V verschalten musst findest Du hier:
viewtopic.php?f=34&t=5363

Danke, soweit hatte ich es schon. Bin mir nur nicht sicher wie ich das für 5V zusammen löte.
Ich habe nach einem vor-Ort-Termin an folgende LED gedacht: (Falls ich keine LED-Leiste oder Cluster nutzen kann.
http://www.leds.de/Standard-LEDs/SuperF ... force_sid=

Selbstverständlich kannst Du alle LED-Einheiten mit einem Netzgerät versorgen wenn dessen Leistung ausreicht.

Ich wollte fragen wie man das errechnen kann, aber habe gerade einen Hinweis gelesen, dass das über die Ampere-Zahl auszurechnen ist.

Mit dem Dimmer habe ich gerade auch keine Idee, der Controller hat ja auch PWM-Ausgänge, vielleicht läßt sich darüber eine Dimmung direkt realisieren, dann eben mit Einzel-LEDs mit Vorwiderstand für 5 V.

Was ist PWM in Kürze?
Bisher habe ich eine 5V Preview-Schaltung mit irgendwelchen Standard-LEDs gebaut. Dort kann ich jede einzelne LED über einen "digital output pin" dimmen. (von 0 bis 255)
Jetzt habe ich die Befürchtung, dass ich damit aber keinen 12V Stromkreis dimmen kann. Sondern, dass ich mit meinem 5V-Output einfach nur von 0% bis 41,6% regeln kann.

[ryestone]

Was ist PWM in Kürze?

Naja in Kürze ist es eben PWM, ausgeschrieben Puls-Weiten-Modulation, siehe da:
http://www.strippenstrolch.de/1-3-13-pw ... ation.html

[BastiVme]

Ich hoffe, dass ich mit externer Stromversorgung auch 12V Signale zum Regeln der einzelnen Einheiten erzeugen kann. (werde ich versuchen)

Nein. Ist aber auch eigentlich nicht nötig:

bräuchte ich einen 0-5V elektrisch steuerbaren Dimmer,

Wo kommen die 0 bis 5V her?

Das ist die Spannungsrange von dem Microcontroller. Denke ich zumindest

Üblicherweise werden LEDs über PWM gedimmt. Das kann bestimmt auch der Arduino-Microcontroller. Was genau soll der eigentlich tun?

Er sammelt Sensorsignale, "mapt" die Signal-Inputs und wandelt sie in Lichtintensität/Lichtquantität um.
Die Programmierung (Lichtquantität) funktioniert im Dummy schon und wenn es hilft lade ich ein Bild von der Schaltung hoch.
Anstatt einer LED sollen später ca. 100-200 lm leuchten.

Un zwar habe ich 6 bis 10 seperate LED-Einheiten die mit 12V versorgt werden.
Ein 12V Netzteil, von dem aus ich dann die LED-Einheiten parallel schalte.
Dabei ist noch nicht sicher, ob ich LED-Leisten, LED-Cluster oder selbst zusammengelötete LEDs nutze.

Hast Du jetzt schon diese Einheiten, oder sollen die erst gebaut werden? Wie ryestone schon sagte kann man auch selbst zusammengelötete LEDs problemlos an 12V anschließen.

Du hast Recht, ich habe 6 - 10 LED-Einheiten in Planung
Ich bin nämlich am überlegen, ob ich einzelne LEDs kaufe, oder flexible LED-Leisten.

Ich bin absoluter Elektrik-Neuling

Für einen absoluten Elektrik-Neuling ist das aber schon ein recht ambitioniertes Projekt (soll keine Kritik sein!)

Das ist auch nicht freiwillig so kompliziert, sondern ein Hochschulprojekt. Leider sind wir allesamt weder Elektriker, noch Informatiker

[Borax]

Die Programmierung (Lichtquantität) funktioniert im Dummy schon

Was heißt 'Dummy'? Eine kleine Anzeige-LED oder nur eine Simulation?
...

und wenn es hilft lade ich ein Bild von der Schaltung hoch.

Das wäre sehr hilfreich! Und eine kurze Beschreibung (pseudo-code reicht) was das Programm da 'macht' wäre auch sehr hilfreich.

...0-5V ...Das ist die Spannungsrange von dem Microcontroller. Denke ich zumindest

Ja, das ist mir auch bekannt. Aber die mir bekannten Microcontroller auf Arduino-Boards sind Standard-AVR µCs (ATMegaXXX) und die geben keine analogen Spannungen aus. Sie enthalten zwar einen DA-Wandler, aber der ist nicht nach außen verdrahtet, sondern wird nur intern für die AD Wandlung verwendet. Daher müssen wir erst mal klären, wie die Lichtquantität 'ausgegeben' wird. Vielleicht wird die Lichtquantität nämlich per PWM ausgegeben und Du weißt es nur nicht
In diesem Fall wäre die weitere Ansteuerung recht einfach...

Anstatt einer LED sollen später ca. 100-200 lm leuchten.

Müssen das unbedingt 'viele' LEDs sein? Ansonsten geht das mit wenigen High-Power LEDs günstiger.

[BastiVme]

Ich habe mir einen Crashkurs in PWM geben lassen und glaube nun zu verstehen wie "gedimmt" wird - durch die Frequenz des AN und AUS.
Das funktioniert bei meiner Schaltung und meinem Board ganz gut, da an den PWM Ausgängen 5V anliegen.
Mit denen 5V PWM Ausgängen kann ich aber keine 12V LEDs dimmen, da nur meine Frequenz geändert wird, aber mein Leistungsmaximum weiterhin bei 5V liegt.
Verstehe ich das soweit richtig?

Das angefügte Bild zeigt die Schaltung. (das Board ist noch das Arduino Uno, wird aber durch ein Mega ersetzt)
Ich nutze die "analog in Pins" um die Sensordaten zu messen. (Grünes Kabel A1)
Der andere grüne Draht liefert die 5V.
Umso höher der Druck, umso kleiner der Messwert - daher wandle ich das um. (mapping)
Je höher der Wert, desto mehr LEDs gehen an.
Die PWM Pins sind mit den LEDs verbunden. (rote Kabel)
Der Dummy reicht um zu zeigen, wie es funktionieren soll.
Die einzelnen LEDs sollen durch Lichtstarke LEDs oder LED-Einheiten ersetzt werden.
Aber das Board liefert nur 5V und durch den Innenwiderstand maximal 40mA.
Sowohl mit Reihen, als auch mit Parallelschaltung der LEDs komme ich nicht besonders weit.

Ich gehe von dieser LED aus: http://www.leds.de/Standard-LEDs/SuperF ... force_sid=
(3,2V und 50mA), damit könnte ich 2 in Reihe schalten und ohne Vorwiderstand. Dann erreichen sie nicht die maximale Helligkeit von 26lm, aber hoffentlich genug.
Ich habe 54 dieser Digital output Pins, von denen einige besondere Funktionen/Eigenschaften wie PWM haben. Aber ich gehe mal davon aus, dass ich damit dennoch einfaches AN- und AUSSCHALTEN realisieren kann -> 108 LEDs. Durch die 54 Stufen, könnte ich einen Gesamt-Dimm-Effeckt simulieren.
Viel Arbeit, aber vermutlich deutlich billiger.

Die andere Möglichkeit wäre wenige LEDs zu nehmen, aber diese mit den PWM-fähigen Pins zu dimmen.
Aber ich bräuchte da sehr leistungsstarke LEDs, funktionieren die überhaupt mit dem Board?
Brauche ich dann schon Kühlkörper?
Die High-Power-LED Variante habe ich noch nicht angeschaut, werde ich morgen machen.

Die nächste Möglichkeit besteht aus einem 12V-Netzteil (1,5A) mit parallel geschalteten LED-Einheiten (je 210mA). Vor jede Einheit setzte ich ein passendes Relais, dass bei 5V und 40mA funktioniert. Dann habe ich die nötige Helligkeit, aber keinen Dimmeffeckt und keine 54 Stufen sondern nur 7. Ich hätte unter Umständen 7 PWM Ausgänge, aber nur 5V, also viel zu wenig um die Helligkeit zu erreichen.
http://www.leds.de/LED-Leisten-Module/F ... force_sid=
Wenig Arbeit und genug lumen.



Ich hoffe meine gedachten Möglichkeiten stimmen soweit und sind auch verständlich erklärt. Fällt euch noch etwas ein?
Könnt ihr mir zu einer der Möglichkeiten raten oder Komponentenempfehlungen geben?

Budget, Zeit und Elektrik Know-How ist sehr begrenzt (Studenten)
Aber das knappeste ist das Budget.

Vielen Dank, gute Nacht
Basti

[strenter]

Ich habe mir einen Crashkurs in PWM geben lassen und glaube nun zu verstehen wie "gedimmt" wird - durch die Frequenz des AN und AUS.

Nein, stimmt so nicht. Die Frequenz bleibt gleich, nur wie lange der Strom fließen kann ändert sich. Bei 100% Aufsteuerung hast Du allerdings Gleichspannung und bei 0% - 0V.

Nehmen wir mal 1kHz als Grundfrequenz, dann dauert eine Periode ja 1ms.
Bei 50% Aufsteuerung fließt nun 5ms lang Strom und 5ms lang ist ausgeschaltet.
Bei 10% Aufsteuerung fließt nun 1ms lang Strom und 9ms lang ist ausgeschaltet.
Bei 85% Aufsteuerung fließt nun 8,5ms lang Strom und 1,5ms lang nicht.

Die Extremfälle 0% und 100% werden oft von Steuerungen nicht exakt erreicht.


Zum Thema LED-Direktanschluß: Einfach pro Ausgang eine Verstärkerstufe dazwischenschalten. Zum Beispiel in klassischer Emitterschaltung. Oder einen Optokoppler mit weiterem Verstärker. Oder MOSFET... Oder alles kombiniert, oder...
Auf jeden Fall dimensioniert man die Verstärkerstufe so, dass diese ausreichend Strom für das Vorhaben liefert. Dann kann fast beliebig angeschlossen werden. Auch mit differierenden Ausgangsspannungen.

[Borax]

Jetzt müssen wir erst mal klären wie die 'Anzeige' eigentlich aussehen soll...

Je höher der Wert, desto mehr LEDs gehen an.

Das ist aber eine 'Digitalanzeige'. Nur wenn man gleiche LEDs verwenden würde und die nahe aneinander hinter einer Streuscheibe anordnen würde so dass man die einzelnen LEDs nicht mehr unterscheiden kann, dann käme es einem (eher analogen) Dimm-Effekt nahe.
Jetzt stellt sich halt die Frage, was ist das Ziel?
Soll der Messwert in einen Dimm-Wert (für eine LED bzw. LED-Gruppe) übersetzt werden, oder soll der Messwert in eine 'Balkenanzeige' oder Leuchtpunktanzeige übersetzt werden? Beides ist recht einfach machbar, aber von Programmierung und Schaltung grundverschieden.
Geht es eigentlich nur um einen Sensorwert (Druck), oder mehrere (z.B. noch Temperatur)?

[BastiVme]

Also, ich habe mich bereits entschieden.
Ich nehme ein Netzteil mit 12V und 1,5A, an das ich 7 LED-Leisten mit je 210mA parallel schalte.
Vor jede Leiste ein Relais.
Ich habe mir Relais rausgesucht, die bei 5V und 40mA funktionieren, nur würde das bedeuten, dass 7x40mA= 280mA durch das Board laufen, bzw würde auch bedeuten, dass bei 54 möglichen Anschlüssen insgesamt 54x40mA= 2160mA fließen müssten - das kam dem Berater im Elektrofachgeschäft viel zu viel vor.

Eine andere Variante, die mir empfohlen wurde, war das über Transistoren zu steuern.
Funktioniert das?

Aus Gründen der Einfachheit, der Zeit und der Kosten habe ich mich schon von dem "Dimmen" verabschiedet und schon das 12V Netzteil und die 7 LED-Leisten bestellt. (fertiger Aufbau ist am 21.2)
7 Stufen, an- und ausschalten.
Falls ich mit den bestehenden Komponenten, ohne große Mehrkosten ein relativ stufenloses Dimmen hinbekommen kann, wär das super interessant zu wissen:)

An dieser Stelle möchte ich mich für alle hilfreichen Antworten schon einmal bedanken.

Ich werde mir die Ermittlerschaltung, Optokoppler und die Variante mit dem MOS-FET einmal anschauen.

[Borax]

Wenn Du mal meine Fragen beantworten würdest, dann wären wir schon viiiel weiter!

[BastiVme]

Jetzt stellt sich halt die Frage, was ist das Ziel?
Soll der Messwert in einen Dimm-Wert (für eine LED bzw. LED-Gruppe) übersetzt werden, oder soll der Messwert in eine 'Balkenanzeige' oder Leuchtpunktanzeige übersetzt werden?
Beides ist recht einfach machbar, aber von Programmierung und Schaltung grundverschieden.

1. Wahl: Einen Dimmwert
2. Wahl: Einen Messwert in einer Balkenanzeige.

Geht es eigentlich nur um einen Sensorwert (Druck), oder mehrere (z.B. noch Temperatur)?

Nur Druck.

[strenter]

Dimmen geht nicht per Relais. Entweder hat man einen Leistungstransistor und steuert den soweit auf wie nötig (regelbarer Widerstand), dann wird das Ganze aber recht ineffektiv und man verbrutzelt überschüssige Spannung am Transistor, oder man verwendet eoinen (Power-)MOSFET und dimmt via PWM.

[Borax]

1. Wahl: Einen Dimmwert

Ok. Dann würde ich auf alle Fälle eine 'Übersetzung' in einen PWM Wert vorschlagen. Dieser wird über einen 100Ohm Vorwiderstand an das Gate eines Mosfet-Transistors gelegt. Der Mosfet-Transistor übernimmt dann quasi die Funktion eines Relais, was die LEDs ein/aus schaltet. Weil der Mosfet-Transistor aber im Gegensatz zu einem Relais quasi 'trägheitslos' schalten kann, geht das auch einige hundert Mal pro Sekunde, so dass je nach Länge der Ein- bzw. Aus Phasen die LEDs eben unterschiedlich hell leuchten. Mit einem Standard-Mosfet-Transistor (der hier im Forum oft genannte IRLZ34) können problemlos mehrere Ampere geschaltet werden (also auch locker 7 LED-Leisten mit je 210mA). Dann ist auch kein 'großes' Arduino nötig (wäre hier absoluter Overkill). Such mal nach einer Anleitung und Testschaltung für 'PWM Dimmung einer LED' mit dem von Euch verwendeten Arduino Board in der von Euch verwendeten Programmiersprache. Da gibt es garantiert Anleitungen/Beispiele dafür.

[BastiVme]

Ich habe noch einen NPN Bipolartransistor 2N2222A rumliegen gehabt und mit einem 10k Ohm Widerstand versehen. Also die Schaltung mit einem Transistor funktioniert schonmal.
Habe U-Basis an meinen PWM-Ausgang gelegt und ein kleines Testprogramm geschrieben.

int testPIN = 11; //PWM-Pin
int testVAL = 0;

void setup () {
Serial.begin (9600);
}
void loop () {
testVAL = testVAL +2; //Zählfunktion
. if (testVAL > 34) {
testVAL = 0;
}
analogWrite (11, testVAL); //PWM-Ansteuerung
Serial.println (testVAL);
delay (1000);
}

die Range des PWM-Ausgangs geht von 0-255. Aber die LED reagiert (merklich) nur zwischen 0 und ca. 34.
Limitiert mein Transistor die Möglichkeiten durch seine Bauweise?
->

Entweder hat man einen Leistungstransistor und steuert den soweit auf wie nötig (regelbarer Widerstand), dann wird das Ganze aber recht ineffektiv und man verbrutzelt überschüssige Spannung am Transistor, oder man verwendet eoinen (Power-)MOSFET und dimmt via PWM.

Würde ein anderer Transistor, ein MOFET wie ihr ihn nennt, besser funktionierten (sprich 256 Stufen, oder diesen sehr nahe kommen) ?
Denn eigentlich habe ich ja einen passenden Transistor, die Frage ist nur ob er schnell genug schaltet um die PWM-"Frequenz" richtig umzusetzen. Oder habe ich einen Denkfehler?

mfg

[BastiVme]

Ich habe 2 Standart-LEDs an den 12V Stromkreis angeschlossen, jew. mit dem gleichen Vorwiderstand.
Bei einer LED habe ich eine Transistorschaltung (PWM-Ausgang: 255), die andere leuchtet permanent. Beide leuchten gleich hell, ergo: verbrate ich vielleicht Energie, aber es reicht dennoch zur maximalen Helligkeit.

Das einzige ist: Im Bereich von 0-34 (PWM-Output) ist der Helligkeitsunterschied deutlich zu sehen, von 34 -255 nur sehr gering.
Die eine Möglichkeit wäre einen anderen Transistor zu holen mit einem etwas anderem Verhalten.
Die 2. Möglichkeit wäre das Zählverhalten der Funktion nicht linear zu halten, sondern ab einem Wert von 34 schneller zählen zu lassen.

-> Ich denke ich habe alles zusammen was ich brauche, ich möchte mich noch einmal bei allen für eure Hilfe und Geduld bedanken. Es funktioniert - zumindest mit einer LED als Preview

Wenn alles geklappt hat, werde ich mal ein kleines Video/Fotos der kompletten Installation uploaden.

mfg

[strenter]

Das hört sich eher so an als würde der Transistor nicht richtig zusteuern. Prüfe am Besten erst noch die Verstärkerschaltung, denn mit PWM sollte der Transistor die LED nur schnell an- und ausschalten. Klingt als würde er übersättigt werden und nicht mehr rechtzeitig rauskommen.
Kannst es ja mal mit einem Widerstand nach Masse probieren direkt an der Basis... Vielleicht auch 10k wie der Vorwiderstand. Experimentier einfach ein bißchen.

[Borax]

Was mich ein wenig stört ist das hier:

Code: Alles auswählen

analogWrite

Vielleicht hängt da hinter dem PWM Pin auf dem Arduino Board schon ein OP (oder mind. ein Kondensator) der das PWM Signal in eine analoge Spannung umwandelt. Gibt es einen Schaltplan von dem Board? Aber prinzipiell würde ich auch erst mal ganz einfach den Vorschlag von strenter ausprobieren: einen zweiten 10KOhm Widerstand zwischen Basis und Masse. Wobei 10K auch schon recht viel ist. Für eine LED geht das schon, aber falls Du mal mehrere LEDs ansteuern willst, würde ich eher auf 1KOhm runtergehen. Ein Oszilloskop habt Ihr nicht zufällig in der Hochschule?