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Moderator: T.Hoffmann

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njoerd1976
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Do, 14.02.13, 21:34

Hallo liebe Foren-Mitglieder,
ich habe da ein für mich recht schwieriges Projekt.
Ich möchte eine Beleuchtungseinheit mit 48 Samsung 3535 LEDs bauen. Je 2 sollen in Reihe geschaltet werden. Insgesamt sollen dann also 24 parallele Stränge entstehen.
Jeder Strang enthält 2 LEDs einen Vorwiderstand sowie einen PowerMOSFET. Über die MOSFETs soll eine PWM-Dimmung ermöglicht werden.

Die MOSFETs sollen durch zwei Adafruit 16 Channel PWM Boards angesteuert werden.
Link: http://www.adafruit.com/products/815

Diese wiederrum beziehen ihren Input von einem Raspberry Pi.
Link: http://www.raspberrypi.org/

Verbunden werden sollen die Steuerelemente per I2C.
Für die Programmierung habe ich jemanden, aber wenn Jemand interesse hat, gerne melden.


Nun zu meinen Problemen: :?
1. Funktioniert das überhaupt? :lol:
2. Die LEDs ziehen im "worst case" 1,5A, folglich die Schaltung 36A. Welchen Leiterquerschnitt empfehlt ihr da?
3. Wo bekomme ich ein passendes Netzteil? Nach kurzer Recherche habe ich folgendes gefunden: Chargery S600 (http://www.chargery.com/S600.asp)
4. Bei den PowerMOSFETs dachte ich an NFETs mit Pulldown Widerständen. Könnt ihr da welche empfehlen oder sogar eine bessere Lösung anbieten?
5. Habt ihr Erahrungen mit PWM-Modulen?
6. Zur Ermittlung der maximalen benötigten Helligkeit habe ich mir die anhängende Testschaltung überlegt. Könnt ihr mir sagen, ob das in Ordnung ist?



Vielen Dank für eure Hilfe
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Borax
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Do, 14.02.13, 22:50

Hallo njoerd1976,
welcome on board!
Die LEDs ziehen im "worst case" 1,5A,
Nein. Das ist der falsche Ansatz. Die LEDs ziehen so viel wie man ihnen gibt. Und mehr als 500mA sollte man denen eher nicht geben (siehe auch etliche Beiträge hier im Forum zu diesen LEDs). Also per Vorwiderstand oder besser KSQ dafür sorgen, dass sie auch nicht mehr kriegen. Ansonsten ist der Aufbau durchaus möglich. Wegen Deiner Schaltung... LEDs werden über den Strom und nicht über die Spannung gesteuert (auch wenn man das natürlich nicht komplett trennen kann). Besser wäre es daher eine 'klassische' LM317 KSQ aufzubauen (siehe z.B. http://www.roboternetz.de/phpBB2/konstantstrom.php ) und 4W Poti zur Stromregelung zu verwenden.
njoerd1976
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Fr, 15.02.13, 21:08

Vielen Dank für die Infos,
leider wird die 3535 bei 500mA nicht mehr die benötigte Helligkeit liefern. Könnte ich stattdessen die Cree XM-L U2@max 1500mA einsetzten?

Ich habe auch nochmal entsprechend deinem Rat die Testschaltung angepasst.

Ich will dadurch ja nur die benötigten Werte für die zukünftige Schaltung ermitteln. Letztendlich brauche ich also nur die notwendige Helligkeit ermitteln und dann den Strom messen.
In der anderen Schaltung würde ich dann dementsprechend den Vorwiderstand dimensionieren und per PWM die Helligkeit regulieren.
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Borax
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Sa, 16.02.13, 00:06

Könnte ich stattdessen die Cree XM-L U2@max 1500mA einsetzten?
Ja. Wenn sie gut gekühlt werden, dann sollte das gehen.
In der anderen Schaltung würde ich dann dementsprechend den Vorwiderstand dimensionieren und per PWM die Helligkeit regulieren.
Ich würde auch hier eher KSQs empfehlen. Weil um einen halbwegs konstanten Strom für die LEDs zu erhalten (bei unterschiedlichen Temperaturen) müsstest Du sonst mind. 20% Strom an den Vorwiderständen verheizen. Mit 2-Transistor-Low Drop-KSQs (Mosfets wolltest/musst Du ja sowieso einsetzten) kannst Du die Spannung so wählen, dass nur ca. 5-10% Strom verbraten werden muss (je nach Temperatur).
njoerd1976
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So, 17.02.13, 15:34

Ok vielen Dank für den hinweis,
ich habe mir gerade mal ein paar sachen zu Low-Drop-KSQs durchgelesen. Leider werde ich daraus nicht ganz schlau. Kannst du mir die Schaltung mal kurz erklären und eventuell die Dimensionierung der Bauteile angeben. Welche MOSFETs bzw. Transistoren könnte ich denn da verwenden?
Borax
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Mo, 18.02.13, 10:23

Bedrahtet oder SMD?
Hier ein Schaltplan mit bedrahteten Bauteilen.
R2 musst Du ein wenig austesten. Der genaue Strom hängt von diversen Toleranzen ab (Forward Voltage der Schottky-Dioden, Stromverstärkung der Transistoren...) Sollte sich aber recht genau auf 1.5A einstellen lassen.
TransMos2DiodeKSQ1_5A.png
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Die PWM Frequenz sollte höchstens bei 250Hz liegen. Bei höheren Frequenzen werden die Pulse im kleinsten Bereich (bei 8Bit PWM => kleinste duty = 1:255 also Pulslänge ~ 15µS) sonst zu kurz.
Fraenk
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Mo, 18.02.13, 23:14

Du willst 24 Stränge aufbauen, d.h. du brüchtest 24 KSQ die eigentlich auch nur die Überschüssige Energie verbraten. Da du aber eine konstante Spannung hast, und wenn dir minimalste Helligkeitsunterschiede in den LEDs egal sind, dann könntest du auch einfach einen Widerstand wählen. Da es vermutlich ein Projekt für dich alleine ist und nicht in Serie hergestellt wird, kannst du, um die Sache zu optimieren, die Widerstände sogar einzeln abstimmen. Die Stromschwankung verursacht durch die Temperaturänderung wird sich im Rahmen halten, jedoch kannst du auch einfach den Strom messen während du die LED mal 10 Minuten brennen lässt, und beobachten wie sich der Strom entwickelt.

Der Vorteil der Widerstände wäre, dass du nur einen Widerstand (oder zwei, wobei der zweite zur Feinabstimmung in Reihe dient) und einen MOSFET pro LED benötigst, die PWM Frequenz hochschrauben kannst (wobei nicht unbedingt nötig) (nur noch beschränkt durch die Gate-Ladung und dem Strom den dein PWM Modul pro Pin liefern kann) und du somit recht wenig extra Bauteile bei ähnlichem Ergebnis hast.

Warum so ein fettes Raspberry Pi verwenden, wenn du 'nur' ein paar LEDs ansteuern willst? Warum nicht ein simpleres Arduino? Du würdest ja nur eine I2C Schnittstelle benötigen. Und falls du eine PC Anbindung noch brauchst könntest du entweder auf eine Serielle Schnittstelle (per RS232-USB Adapter) zurückgreifen (ist viel simpler handzuhaben als natives USB) oder eben den Aufwand mit USB betreiben.

Falls du die LEDs mit langen Kabeln anschließen willst, so musst du deren Spannungsabfall mit einrechnen. Sind die Kabel unterschiedlich lang und variieren stark in der Länge, bist du vielleicht doch besser mit einzelnen KSQ bedient, da die sich daran 'anpassen'. Musst halt mehr löten und brauchst mehr Platz ^^
D.h. abwägen was du brauchst.

Bei MOSFETs musst du auf die Spannung achten die zur Ansteuerung benötigt wird. Da die PWM Ausgänge 5V oder weniger haben und du sicherlich die MOSFETs direkt (meist noch über einen Vorwiderstand) ansteuern willst, solltest du einen Logic-Level-Mosfet verwenden, der von Borax erfüllt schon diese Eigenschaften. Falls du einen anderen aussuchst, musst du eben darauf achten, dass er ebenfalls bei 5V schon ganz durch steuert. Auch solltest du einen mit einer geringen Gate-Ladung wählen, wodurch die PWM Ausgänge weniger belastet werden.

Ich würde vielleicht noch ein paar gute Keramik-Kondensatoren in die Versorgungsleitung jedes MOSFETs setzen, der die kurzen Ströme etwas mildert und somit vielleicht das Netzteil weniger beansprucht (denn dessen eingebaute Kondensatoren werden vermutlich nicht ausreichen um diese Stromschwankungen so schnell auszugleichen), denn im Worst-Case schaltest du alle LEDs gleichzeitig ein und aus, und das ein paar hundert mal die Sekunde. Weiß aber nicht ob es was bringt, vielleicht wissen da andere mehr.

Und wenn du, wie von Borax empfohlen, die LEDs mit 500mA oder weniger betreibst, dann kommst du mit einem deutlich kleineren Netzteil aus. Vielleicht bekommst du es sogar mit einem Laptopnetzteil (Tischnetzteil) hin, das es oft mit um die 120W bei 12V gibt, für einen noch akzeptablen Preis. Oder du verwendest mehrere.
Fraenk
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Mo, 18.02.13, 23:54

Zusatz:
Die Samsung LEDs sind ja schön effizient (wobei du kaum die Charge geliefert bekommst die die angegebe Lichtausbeute erreicht), aber auch recht teuer, bei 48 LEDs macht das 240 Euro, bzw. 192 Euro, nur für die LEDs.
Falls du ein 12V Netzteil verwendest, da es leicht zu besorgen ist und kostengünstig, dann müsstest du ja mit 3 LEDs in Reihe arbeiten, sonst ist der Leistungsverlust über den Widerstand oder KSQ zu groß. Dann wäre das mit den Samsung LEDs aber unbezahlbar.
Ein Nachteil den die Samsung LEDs auch haben, ein sehr geringer CRI-Wert, also das Licht wird hässlich aussehen. Wenn du es zur Raumausleuchtung verwenden willst, würde ich davon Abstand nehmen.
Die Alternative: Du kaufst dir 6 solcher PowerBar Leisten: http://www.leds.de/LED-Leisten-Module/H ... CRI90.html und teilst sie nach jeweils 3 LEDs, dann passt es 'besser' mit 12V.
Kosten 'nur' noch 150 Euro haben aber einen CRI von 90. Sie sind dadurch zwar nicht mehr so effizient, dafür hast du aber auch 3 anstatt 2 LEDs, die auch noch leicht handzuhaben sind, da sie schon auf einer Alu-Leiterplatte gelötet sind, somit leicht an einen Kühlkörper anzubringen sind.
njoerd1976
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Di, 19.02.13, 09:28

Vielen Danke für deine umfangreiche Erklärungen.

Den Raspberry Pi möchte ich nutzten, da ich damit experimentieren möchte und weil es eine große Anzahl an Erweiterungsmöglichkeiten bietet.

Wenn ich die von Borax empfohlene KSQ als SMD auslegen würde, wie klein könnte man das gestalten? Mit bedrahteten Bauteilen wird es natürlich ziemlich groß. Gibt es da einen guten aber günstigen Versand der einem so eine Schaltung herstellt. Natürlich in der geforderten Menge. Also sagen wir mal 50 Stk.?

Allerdings hätte ich noch eine Frage zu der Frequenz von 250 Hz. Bis wieviel Prozent lässt sich die Schaltung Dimmen, ohne das ein Flackern entsteht.
Borax
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Di, 19.02.13, 09:44

Gibt es da einen guten aber günstigen Versand der einem so eine Schaltung herstellt. Natürlich in der geforderten Menge.
Das dürfte eher nicht bezahlbar sein. Da ist schon Selbstbau angesagt. Es gibt nur die Möglichkeit sich dafür passende Platinen machen zu lassen, aber bestückt dürfte das bei weniger als 1000St. niemand zu einem bezahlbaren Preis machen. Oder es halt doch wie von Fraenk vorgeschlagen mit Widerständen machen. Wenn die gut 'eingemessen' sind, keine langen Leitungen nötig sind und die Spannungsquelle schön stabil ist, dann sollte das auch ohne große Probleme gehen. Bezüglich der LED Auswahl kann ich Fraenk nur beipflichten. Das sehe ich genauso.
Allerdings hätte ich noch eine Frage zu der Frequenz von 250 Hz. Bis wieviel Prozent lässt sich die Schaltung Dimmen, ohne das ein Flackern entsteht.
Bei 250 Hz ist kein Flackern oder Flimmern wahrnehmbar. Bis wieviel Prozent hängt von der Bitbreite der PWM Steuerung ab. Bei 8Bit PWM also 1:255 ergibt das etwa 0.4%.
Fraenk
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Di, 19.02.13, 14:22

Schaltung:
Eine richtige Leiterplatte musst du selbst layouten, bspw. mit Eagle. Die Schaltung solltest du auch selber bestücken. Du kannst sie zwar bestücken lassen, es wird auch noch preislich einigermaßen akzeptabel sein, jedoch sind die benötigten Bauteile wenig und kinderleicht zu löten. Kein Bauteil sollte auch nur annähernd ein Problem darstellen. Daher ist es nur raus geschmissenes Geld wenn du es bestücken lässt.
Die Größe der Leiterplatte wird sehr gering sein, du brauchst gerade einmal 7 Bauteile, alles 08/15 Bauteile die auch wenig Platz weg nehmen. Der einzige Begrenzende Faktor wird die Wärmeabführ des Mosfets darstellen. Bei 3V Verlustspannung und 350mA musst du knapp 1W abführen können. Kannst du die überschüssige Spannung reduzieren, reduziert sich natürlich auch die abzuführende Leistung. D.h. bei der Leiterplattenherstellung solltest du darauf achten, dass der Mosfet idealerweise in einer geeigneten Bauform um genug Wärme abführen zu können (bspw. SOT223) vorliegt, und am besten Zweilagig, untere Lage ohne Lötstopplack, mit Vias vom Mosfet nach unten zur Wärmeabfuhr und Bauteile auf der oberen Seite, die untere Seite dann auf einen kleinen Kühlkörper kleben, fertig.
Endgültige Größe der Schaltung, vllt. 2x3 cm (Bild), nicht ideal plaziert, nicht geroutet, einfach um ein Größenverhältnis der Bauteile zu bekommen (Widerstände in handlicher 0805 Bauform). D.h. durch dichtere Platzierung noch kleiner möglich, vllt. auf die Hälfte. Lässt sich mit kleineren Bauteilen auch noch kleiner bauen, wird aber immer schwerer zum Löten und um die Wärme abzuführen.
pcb.PNG
pcb.PNG (5.73 KiB) 4485 mal betrachtet
Diese Mini-Schaltung setzt man dann zu einer großen zusammen mit Stegen dazwischen und äzt sie selber oder lässt sich ein paar fertigen und trennt sie dann daheim. (Kostenrechner bei PCB-Pool (auch Bestücking lässt sich berechnen), Fischer-Leiterplatten, Eurocircuits, ...)
Die Alternative, da es ja wirklich Standardbauteile sind und wenig, du baust die Schaltung auf einer SMD Prototypen Leiterplatte auf. Gut plaziert kannst du den Großteil direkt mit Lötzinn verdrahten und brauchst nur wenig Drähte, also kaum Mehraufwand als eine 'richtige' Leiterplatte. (Nur musst du dann meist Widerstände in 0603 Bauform verwenden, die auf das Raster passen) http://de.farnell.com/roth-elektronik/r ... dp/1172133

Aber auch mit Bedrahteten Bauteilen wird es nur wenig größer. Kannst es ja mal probieren.

PWM:
Lies dich mal in PWM ein bisschen ein, du scheinst das Prinzip dahinter noch nicht ganz verstanden zu haben und damit vermutlich auch Borax' ergänzende Bemerkung zur minimalen Helligkeit.
Die Frequenz bleibt konstant, es wird nur die Pulsweite verändert! D.h. bei 250 Hz solltest du nichts flackern sehen können, egal ob ganz an oder fast aus, da die Frequenz gleich bleibt.
njoerd1976
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Di, 19.02.13, 15:14

Ja das stimmt, ich hatte bei der PWM einen Denkfehler. Sorry.

Das mit dem SMD ist auf jeden Fall eine Überlegung wert.

Danke euch beiden
njoerd1976
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Di, 19.03.13, 17:02

Hallo,
ich habe jetzt einige Tests gemacht und habe den maximalen Strom auf 1000mA festgelegt. Jetzt wollte ich am PC mal die Schaltung von Borax simulieren, jedoch bekomme ich den Transistor nicht zum Durchschalten, egal was ich mache.

Könnt ihr mir da weiterhelfen? Was muss in der Schaltung passieren, damit Q1 durchschaltet. Sollte nicht die Spannung an der Basis ca 5V erreichen?

PS: Wo bekomme ich einen 0.1 Ohm Widerstand her?
Schaltung1.jpg
Borax
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Di, 19.03.13, 18:02

Keine Ahnung. Bevor ich da jetzt lange suche, im Anhang 'meine' Datei. Du musst ggf. noch den Mosfet ändern. Das IRLZ34 Modell ist nicht dabei.
Sollte nicht die Spannung an der Basis ca 5V erreichen?
Nein. Etwa 0.6V.
0.1Ohm Widerstände gibt es z.B. bei Reichelt:
SMD: http://www.reichelt.de/SMD-1206-0-0-Ohm ... CLE=120163
Draht: http://www.reichelt.de/2-Watt-axial/2W- ... TICLE=2257
Beim Conrad gibt es so was auch... Z.B. http://www.conrad.de/ce/de/product/4541 ... 075-2-W-1- (allerdings nur 0.075 Ohm - müsste man aber anpassen können)
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njoerd1976
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Di, 19.03.13, 19:16

Leider tritt bei deinem Modell das selbe Problem auf. Es wird nur der Strom durch die LED erhöht. Jedoch schaltet der Transistor nicht durch.

Mach ich da was falsch?
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