Auslegung eines RC-Glieds (PWM in analoge Spannung)

[Tobias B. (ring-tobi)]

Guten Morgen allerseits!

Ich bin neu hier und bin durch die Google-Suche auf euer Forum gestoßen. 
Zur Zeit bin ich - als nicht in die tiefen der Elektrotechnik versierter 
- dabei eine kleine Schaltung zu bauen, die folgendes machen soll:

Ein Kfz-Steuergerät (frei programmierbar) hat einen Eingang, der PWM auf 
Masse zieht.

Für die Ansteuerung eines 10 LED "LED-Bargraph (über einen LM3914)" 
möchte ich in Abhängigkeit des PWM Signals die LEDs ausschlagen lassen. 
Dafür benötigt der LM3914 ein 0-5 V Analog-Signal.

Realisiert habe ich das mit einer 5V Spannungsquelle, die ich über einen 
100kOhm Widerstand an das PWM Signal des Steuergeräts geklemmt habe. 
Daran habe ich ein RC Glied angeschlossen mit einem 500 kOhm Widerstand 
und einem 44nF Kondensator.

Die Frequenz mit dem das Steuergerät die PWM durchführt ist einstellbar 
und liegt zur Zeit bei 1000 Hz. Diese soll auf 200 Hz reduziert werden. 
Bei niedrigen Frequenzen habe ich jedoch keine "schöne Ausgangsspannung" 
hinbekommen mit meinen aktuellen Komponenten. Bei höheren Frequenzen 
klappte das recht gut so wie es zur Zeit ist.

Nun stellt sich mir die Frage, wie man so etwas wirklich auslegt. Bei 
mir war das bis jetzt mehr so ein "Try and error"-Verfahren :-)

Kann mir jemand Tips geben, die ich als Mechatroniker mit Kfz-Elektrik 
Kenntnissen ohne weitere, tiefere Elektrotechnik-Studiums Kenntnisse 
befolgen kann zur anständigen Auslegung meines Tiefpasses?

Vielen Dank im Voraus
Tobi

[mato (Gast)]

Was du brauchst, um aus dem PWM-Signal eine Gleichspannung bzw. 
zumindest möglichst gleichmäßige Spannung zu machen, ist ein Tiefpass. 
Der Tiefpass hat eine bestimmte Grenzfrequenz, unterhalb derer er alle 
Frequenzen durchlässt und alles was darüber ist, wird gefiltert - und 
zwar je stärker, desto höher die Frequenz ist (vereinfacht gesagt).

Wenn du jetzt also mit deiner Signalfrequenz runter gehst, wird davon 
etwas mehr als vorher durch das Filter durchrutschen. Im Endeffekt heißt 
dass, du musst die Grenzfrequenz deines Filter herabsetzen.

fg = 1 / (2  pi  R * C)

Einfach gesagt: Je größer dein Kondensator, desto kleiner die 
Grenzfrequenz. Mach den einfach mal um Faktor 5 größer.


* 500kOhm wird, abhängig vom Eingangswiderstand der folgenden Schaltung, 
vermutlich etwas viel sein - so dass da nachher im Endaufbau nicht mehr 
die gewünschte Spannung am Verbraucher ankommt. Da vielleicht besser 
einen deutlich kleineren Widerstand und einen um den gleichen Faktor 
größeren Kondensator verwenden.

[Tobias B. (ring-tobi)]

Hallo Mato,

vielen Dank schon mal! Zuerst war der Aufbau mit einem 100 kOhm 
Widerstand und einem 22 nF Kondensator. Dann haben wir das Oszilloskop 
mal rangehangen und mit Widerständen gespielt. Optisch war das Signal 
das mit einem 1000 Hz PWM und den 500 kOhm und 2x 22 nF Kondensatoren 
schöner.

Gibt es keine Möglichkeit "eine ideale Kombination" (auf einfachem Weg) 
zu errechnen :-) ?

Gruß und Dank
Tobi

[Falk B. (falk)]

@  Tobias Becker (ring-tobi)

>Gibt es keine Möglichkeit "eine ideale Kombination" (auf einfachem Weg)
>zu errechnen :-) ?

Ja.

http://www.mikrocontroller.net/articles/Pulsweitenmodulation#RC-Filter_dimensionieren

[Tobias B. (ring-tobi)]

Falk Brunner schrieb:
> @  Tobias Becker (ring-tobi)
>
>>Gibt es keine Möglichkeit "eine ideale Kombination" (auf einfachem Weg)
>>zu errechnen :-) ?
>
> Ja.
>
> 
http://www.mikrocontroller.net/articles/Pulsweitenmodulation#RC-Filter_dimensionieren

Hallo Falk,

dieses Thema habe ich auch schon gefunden - darüber bin ich auf eure 
Seite gestoßen - aber daraus werde ich nicht so wirklich schlau.

Bist du in dem Thema versiert und könntest mir das beispielhaft mal 
aufschreiben mit meinen Daten?

Dann kann ich das vielleicht besser nachvollziehen.

Dafür wäre ist sehr dankbar.

Gruß Tobi

[GreenIslander (Gast)]

Hallo Tobi!

Warum willst du mit deiner Signalfrequenz runter gehen? Ich würde die 
Signalfrequenz wenn möglich so lassen oder sogar noch höher gehen. Unter 
anderem aus Gründen von Trägheit und Ripple. Um so niedriger die 
Signalfrequenz ist um so träger wird deine Schaltung.

Ein weiteres Problem ist die Erzeugung deiner Signalfrequenz. Bei High 
(100kOhm) und Low (einige Ohm) Pegel hast du verschiedene 
Innenwiderstände in deiner Schaltung.

Mfg
GreenIslander

[Harald W. (wilhelms)]

Tobias Becker schrieb:

> Gibt es keine Möglichkeit "eine ideale Kombination" (auf einfachem Weg)
> zu errechnen :-) ?

Nein, man muss immer einen Kompromiss zwischen zulässigem Rippel
und Zeitverzögerung finden. Etwas besser wird das mit Filtern
höherer Ordnung; dafür wird da die Berechnung komplizierter.
Gruss
Harald

[Tobias B. (ring-tobi)]

@GreenIslander:

Die Freuenz sollte runter aus Angst vor EMV mit anderen Bauteilen und 
Leitungen die in der Gegend verlaufen.

Meinst du also, dass man das bei 1000 Hz lassen sollte und auch die 
Konfiguration so lassen sollte wie in meinem dargestellten, angehängten 
Bild im ersten Beitrag?

@Harald:

So was habe ich schon glatt befürchtet. Kann man denn generell sagen, 
dass man besser den Kondensator größer macht und den Widerstand klein 
hält (um das Produkt im Nenner gleich zu halten bei der Gleichung für 
die Grenzfrequenz)?

Oder gibt es auch da keinen wirklichen Anhaltspunkt?

Ich danke euch für eure rege Beteiligung :-) !

[Falk B. (falk)]

@  Tobias Becker (ring-tobi)

>Für die Ansteuerung eines 10 LED "LED-Bargraph (über einen LM3914)"
>möchte ich in Abhängigkeit des PWM Signals die LEDs ausschlagen lassen.
>Dafür benötigt der LM3914 ein 0-5 V Analog-Signal.

Also 10 Stufen, eher grob. Da muss man nicht so viel filtern.

>Realisiert habe ich das mit einer 5V Spannungsquelle, die ich über einen
>100kOhm Widerstand an das PWM Signal des Steuergeräts geklemmt habe.
>Daran habe ich ein RC Glied angeschlossen mit einem 500 kOhm Widerstand
>und einem 44nF Kondensator.

Soweit OK.

>Die Frequenz mit dem das Steuergerät die PWM durchführt ist einstellbar
>und liegt zur Zeit bei 1000 Hz. Diese soll auf 200 Hz reduziert werden.

Warum? Kann man machen, ist aber eher kontraproduktiv.

>Nun stellt sich mir die Frage, wie man so etwas wirklich auslegt. Bei
>mir war das bis jetzt mehr so ein "Try and error"-Verfahren :-)

Bei 10 Stufen will man den Ripple auf weniger als 10% der 
Maximalspannung drücken, sagen wir 5%. Aus der Formel des Artikel kann 
man berechnen.

$$RC = \frac{VCC \cdot T_{PWM}}{ 4 \cdot Vripple } = \frac{5V \cdot 5ms}{ 4 \cdot 0,05 \cdot 5V } = 25ms$$

Legen wir zuerst den Widerstand fest. Er sollte nicht zu hoch sein, weil 
man sich mit hochohmigem Zeug schnell Störungen einfängt. Sagen wir 10k. 
Den Pull-Up deiner PWM-Quelle machen wir 1k, das ist noch OK.

$$C=\frac{tau}{R}=\frac{25ms}{10k\Omega}=2,5\mu F$$

Real nimmt man hier eher 3,3 oder 4,7µF. Damit sollte es auch bei 200 Hz 
gut funktionieren.

[F. J. (flippinger)]

Tobias Becker schrieb:
> Realisiert habe ich das mit einer 5V Spannungsquelle, die ich über einen
>
> 100kOhm Widerstand an das PWM Signal des Steuergeräts geklemmt habe.
>
> Daran habe ich ein RC Glied angeschlossen mit einem 500 kOhm Widerstand
>
> und einem 44nF Kondensator.

Warum nimmst du nicht einfach ein OP (nichtinvertierter Verstärker)

http://www.mikrocontroller.net/articles/Operationsverst%C3%A4rker-Grundschaltungen

Stellst du die passende verstärkung ein, feddich.
Oder hab ich dein Problem iwie nicht verstanden?

[Tobias B. (ring-tobi)]

@Falk:

Klasse, danke! Das hat mir geholfen!
Kannst du mir noch sagen, welche Probleme man sich einfängt, wenn man 
den Widerstand zu groß wählt. Du hast jetzt im Vergleich zu meiner 
Variante einen recht "kleinen" Widerstand mit einem "großen" Kondensator 
verknüpft.
Kannst du mir sagen, wieso das besser ist?

[Falk B. (falk)]

@  Tobias Becker (ring-tobi)

>Variante einen recht "kleinen" Widerstand mit einem "großen" Kondensator
>verknüpft.
>Kannst du mir sagen, wieso das besser ist?

Der Filterausgang sollte möglichst niederohmig sein, damit eine 
angeschlossene Last, hier dein LM3914, die Ausgangsspannung durch seinen 
Innenwiderstand nicht verfälscht. Wenn gleich der sehr hochohmig ist, so 
sollte man es nicht übertreiben. Das Einkoppeln von Störung ist bei 
niederohmigen Schaltungen auch geringer als bei hochohmigen.

[Harald W. (wilhelms)]

Falk Brunner schrieb:

>>Für die Ansteuerung eines 10 LED "LED-Bargraph (über einen LM3914)"

> Also 10 Stufen, eher grob. Da muss man nicht so viel filtern.

Wenn sich der Wert der anzuzeigenden Spannung gerade auf einem
Grenzwert zwischen zwei LEDs befindet, wird man dann aber schon
ein Flackern sehen. Im Endeffekt muss man ein solches RC-Glied
einfach nach seinem persönlichen Empfinden auswählen. Der von
Dir errechnete Wert ist dafür ein guter Anfang. :-)
Gruss
Harald

[Tobias B. (ring-tobi)]

@Falk:

Herzlichsten Dank! Ihr seid die Besten :-) !!

@ Harald:

Das hatten wir zu Beginn das Problem (wenn zum Beispiel 4 LED leuchten 
sollten, dann leuchtete die 5. schon ein bisschen mit). Das ist im 
realen Betrieb jedoch nicht so sein Problem. Denn es gibt bei dieser 
Anwendung immer nur den Status: eine LED leuchtet oder 10 LED leuchten 
(min oder max). Dazwischen ist ein Umschaltvorgang der hoch oder runter 
fährt und der mit dem LED Bargraph quasi "animiert wird" (innerhalb von 
2-5 Sekunden). Und dabei bewegen sich die LED "sowieso" und es kommt auf 
keine große Genauigkeit an.

[Harald W. (wilhelms)]

Tobias Becker schrieb:

> Und dabei bewegen sich die LED "sowieso" und es kommt auf
> keine große Genauigkeit an.

Deshalb mein Rat: Ausprobieren.
Gruss
Harald

[Tobias B. (ring-tobi)]

Harald Wilhelms schrieb:
> Tobias Becker schrieb:
>
>> Und dabei bewegen sich die LED "sowieso" und es kommt auf
>> keine große Genauigkeit an.
>
> Deshalb mein Rat: Ausprobieren.
> Gruss
> Harald

Das wird auf jeden Fall gemacht.

Eine Frage habe ich noch zur Ripple-Spannung:

Ist diese anzusehen bei VRipp=0,2V als zum Beispiel 2,5V +/- 0,2 V oder 
als 2,5V +/- 0,1 V (das delta= 0,2V) oder die einzelnen Ausschläge nach 
oben und unten = 0,2 V?

[Falk B. (falk)]

@Tobias Becker (ring-tobi)

>Ist diese anzusehen bei VRipp=0,2V als zum Beispiel 2,5V +/- 0,2 V

Nein.

>oder  als 2,5V +/- 0,1 V (das delta= 0,2V)

Ja.

[Tobias B. (ring-tobi)]

Danke =)