Hilfe für IR-Blaster

[Conny G. (conny_g)]

Hallo mal wieder.

Ich arbeite gerade an einer uC-Schaltung, die an einem Raspberry Pi 
hängt und Fernbedienungssignale aussenden soll. In der ersten Stufe 
direkt am RPi, danach über Funk (RFM12, 868 Mhz) angebunden. Dann steht 
in jedem Raum ein solcher IR-Satellit und ich kann von der Zentrale aus 
überall Geräte schalten.

Ein Teil der Schaltung ist ein "IR-Blaster", der das IR-Signal vom uC 
verstärken soll und damit den ganzen Raum abdecken, d.h. ich möchte 
recht hohe Abstrahlleistung herausholen und die IR LEDs im Pulsbetrieb 
mit 500mA bis 1A betreiben.
Die IR-LEDs, momentan LD 271, sollen später durch welche mit größerem 
Abstrahlwinkel ersetzt werden (LD 242 von Osram, 40% Grad) und 4-8 Stück 
im Kreis angeordnet werden sodass sie 180 oder sogar 360 Grad abdecken. 
Die mit Funk angebundene Satellitenschaltung steht dann irgendwo im Raum 
wo alle entsprechenden Geräte abgedeckt werden.

Angehängt der (Teil)Schaltplan meines Prototypen mit dem ich gerade 
experimentiere:
- das Signal vom uC (hier als Jumper vereinfacht) wird mit einem BC547 
verstärkt sodass die folgenden BD139 ausreichenden Steuerstrom bekommen.
- die eigentliche Verstärkerstufe sind BD139 an deren Kollektor die IR 
LEDs mit Vorwiderstand hängen
- den Vorwiderstand für die IR-LEDs hätte ich mit 3 Ohm berechnet, 
sodass sie bei 1,9V Durchlassspannung einen Strom von 1A bekommen können
- Spannungsversorgung ist ein Breadboard Power Supply, die ca. 1.5A 
können soll

Die Schaltung funktioniert und die Sendeleistung scheint anhand 
unwissenschaftlicher Versuche (wie weit weg kann man die Fernbedienung 
vom Gerät weg richten und ein Gerät reagiert noch) auch in etwa der 
einer Philips Pronto Fernbedienung zu entsprechen, die in der 
Sendeleistung recht stark ist und damit das "Vorbild", das es zu 
erreichen/übertreffen gilt.

Ich habe mit der Schaltung allerdings folgende Problemchen:

1) wenn ein Signal gesendet wird bricht die Versorgungsspannung 
erheblich ein.
   Das ist klar, denn wenn die Versorgung nur 1-1.5A liefert und die 6 
LEDs aber 6A ziehen, dann reicht es nicht.
  Wie kann ich denn am Besten Leistung über einen Kondensator "puffern" 
sodass für die Länge des IR-Signals (das ist ja nicht lange) die 6A 
bereitgestellt werden können.
  Der eingezeichnete 1000uF hat's jedenfalls nicht gebracht. Besser ein 
C pro Transistor?

2) ich kann den Verstärkerteil nicht mit dem Oszi messen, weil die 
Schaltung dann völlig verrückt spielt, sie scheint zu schwingen und die 
Transistoren schalten dann durch und es brennt mir die LEDs durch, weil 
sie den hohen Strom permament bekommen.
Liegt das an der hohen Empfindlichkeit der Transistoren? Was ist hier 
das Problem und wie kann ich es lösen? Beeinflusst ein Oszi die 
Schaltung tatsächlich so sehr?

Danke für Eure Tipps.

Viele Grüße,
Konrad

[Eumel (Gast)]

Konrad G. schrieb:
> Der eingezeichnete 1000uF hat's jedenfalls nicht gebracht. Besser ein
> C pro Transistor?

Das dürfte wohl nicht so viel ändern. Entweder mehr Kapazität oder eine 
passende Versorgung.

[Conny G. (conny_g)]

@Eumel:
Mehr Kapazität indem ich einen C bei jedem Transistor habe? Oder ist das 
egal ob bei jedem Transistor oder parallel zur Stromversorgung? Dass 
1000uF gar nicht soviel ist wird mir gerade auch klar, bei 6 A.... hast 
Recht!

[Conny G. (conny_g)]

Jetzt ist mir was klar geworden.
Eumel, danke für das richtige Stichwort, das mich auf den Pfad gebracht 
hat.

Ich habe mich jetzt mit der Berechnung der notwendigen Kapazität eines 
Kondensators beschäftigt, wenn ich den noch fehlenden Strom damit 
abfangen wollte.
Es sei gegeben, dass meine Stromquelle nur 1A liefert und ich möchte 
aber 6A an die LEDs schicken können. Bzw. 3A, weil ich beim 38 
kHz-IR-Signal einen Duty Cycle von 50% habe.

Formel C = I * t / U.
Ich nehme mal an 1A bekomme ich von der Stromquelle, also verbleiben 
noch 2A, die ich mit dem Kondensator abdecken muss. Das 
Fernbedienungssignal dauere insgesamt 25ms (z.B. RC5).
Also C = 2A * 25ms / 5V = 10mF = 10.000uF.
Da brauche ich mich nicht wundern, dass meine 1.000uF nichts bewirken...

Heisst also, wenn ich nicht 10 riesendicke Kondensatoren in meiner 
Schaltung haben will brauch ich eine bessere Stromversorgung oder muss 
in der Leistung runter, also weniger LEDs und/oder weniger Pulsstrom.
Also z.B. 6 LEDs à 500mA, dann bin ich bei 3A, Duty Cycle 50% = 1.5A, 1A 
liefert die Stromquelle, 0.5A für den/die Kondensator/en, die dann noch 
2.500uF haben müssten, z.B. jede LED 470uF. Immer noch recht heftig. 
Dann lieber eine Stromversorgung, die 2-3A liefern kann.

Ist die Rechnung so richtig?

[Achim S. (Gast)]

die Rechnung geht in die richtige Richtung. Ganz richtig ist sie noch 
nicht. Und deine Schaltung ist mehr als suboptimal.

Zunächst zur Rechnung:

Konrad G. schrieb:
> weil ich beim 38
> kHz-IR-Signal einen Duty Cycle von 50% habe.

Der Duty Cycle liegt während des Sendepulses normalerweise eher in der 
Gegend von 25%-33% als bei 50%. (also bei 38kHz Signal: Sender 8,xµs und 
18,xµs aus). Dazu kommt, dass bei der RC5-Codierung der Sender bei jedem 
Bit gleich lange an und aus ist (also noch mal Faktor 2 im Duty-Cycle 
bezogen auf die 25ms Nachrichtenlänge). Insgesamt landest du bei 
richtiger Programmierung während der 25ms eher bei einem Duty Cycle von 
1/6.

Jetzt zu den Schwächen der Schaltung:
1) Man schaltet Bipolartransistoren in Emitterschaltung nie ohne 
Vorwiderstand an eine niederohmige Quelle. Der BD139 verträgt zwar 
einiges an Basisstrom, aber entweder die Schaltung gefährdet den BC547 
(wegen I_C max) oder einen der BD139 (wegen I_B max).

2) Bei der Ansteuerung des Bipolartransistor gilt nicht "je mehr, desto 
besser". Du solltest im ihm zwar im Schaltbetrieb so viel Basisstrom 
geben, dass er sättigt. Aber wenn du ihm ~100mA Basisstrom gibst, 
sättigt er so stark, dass die Ausschaltverzögerung sehr lange wird. 
Von deiner Modulation bleibt da evtl nicht viel übrig.

3) Man schaltet Bipolartransistoren in Emitterschaltung nie parallel, 
ohne für eine Symmetrisierung des Stroms zu sorgen. Der Temperaturgang 
der Transistoren wird dafür sorgen, dass einer von Ihnen fast den ganzen 
Basisstrom abbekommt, die anderen fast nichts. Ein Strang wird 
überlastet (zumindest in Hinblick auf den Basisstrom), die anderen 
strahlen viel weniger Licht ab.

4) Ich finde 1A für deine LED zu viel, auch wenn es nur gepulst ist 
(siehe Diagramm "Permissible Pulse Handling Capability" im Datenblatt).

Wenn du wirklich meinst, viele LEDs betreiben zu müssen, würde ich an 
deiner Stelle folgendermaßen vorgehen:
- ein 12V/500mA Netzteil plus passenden Elko
- ein 7805 zur Versorgung des µC
- ca. 7 LED in Serie zwischen Netzteil und einen Leistungstransistor
- den Leistungstransistor als geschaltete Stromquelle für knapp 500mA 
nutzen.

Eine Möglichkeit für die geschaltete Stromquelle ist im Anhang gezeigt 
(es gibt noch viele andere). Die drei von mir simulierten LEDs haben 
ungefähr den selben Spannungsabfall wie 8 deiner IR-LEDs. Die 
Genauigkeit dieser Stromquelle ist nicht besonders hoch, aber du kannst 
den Spannungsteiler R3/R4 so abgleichen, dass sich knapp 500mA 
einstellen.

[Conny G. (conny_g)]

Hallo Achim,

vielen Dank, Deine Antwort ist sehr hilfreich!
Da bin ich wohl sauber einigen klassischen Anfängerfehlern auf den Leim 
gegangen.

Duty Cycle bei RC5: ja, richtig - da habe ich zu oberflächlich gedacht.

1) nie ohne Vorwiderstand: ja, macht Sinn.

2) Sättigung: damit habe ich wohl dann auch schon in einer früheren 
Schaltung Probleme gehabt, denn ich konnte mit dem Oszi nach dem 
Transistor kaum mehr was von meinem Rechteckssignal sehen. Allerdings 
hab ich auch gelesen, dass LEDs auch einen solchen Effekt haben, dass 
sie eine Ausschaltverzögerung wg. Restladung haben. Evtl. hab ich da die 
Folgen von beidem gehabt, gesättigter Q und Restladung LED?

3) Parallelschaltung: macht absolut Sinn. Da entsteht praktisch durch 
die Erwärmung der Transistoren ein "Regelkreis", der die Assymmetrie 
noch verstärkt?
Das ist wahrscheinlich bei der kurzen Sendedauer nicht so stark, aber 
trotzdem nicht ganz sinnig, weil der beabsichtigte Effekt der Schaltung 
nicht erreicht und noch ein Bauteil gefährdet wird.

4) Ja, der Duty Cycle für 1A sollte lt. Datenblatt eher bei 10% liegen.
Wenn man die 1/6 oder 25% nimmt, dann könnte man bis 600-800mA gehen.
Würden denn bei so kurzem Betrieb (die 25ms) die 1A bei Duty Cycle ~20% 
tatsächlich die LED beschädigen?

Der C1 / 50pF in der Beispielschaltung (vielen Dank für die Mühe!) 
beschleunigt das Durchschalten des Transistors?
(Aber was ich meine das war ein C, der parallel zum Vorwiderstand geht, 
richtig?)
Was macht dann C1?
Der C1 braucht ja bei Signalflanke einen Moment bis er geladen ist, ist 
also in dieser Zeit niederohmig, verringert die Basis-Emitter-Spannung, 
also würde er das Durchschalten verlangsamen? Und ebenso bei fallender 
Flanke, er verlangsamt diese?

Weshalb den ZTX1048A, kann ich nicht den BD139 nehmen? Für die 500mA 
würde der ja reichen (500mA Basisstrom, 1.5A Ic). Würde ein BUZ11 auch 
gehen, den hab ich ansonsten noch da? 
(http://www.fairchildsemi.com/pf/BU/BUZ11.html)

12V Versorgung und die LEDs seriell statt der Parallelschaltung macht 
schon sehr viel mehr Sinn als 5V, hoher Strom und mit Kondensator 
puffern...
Die vielen LEDs brauche ich für die 360 Grad Abdeckung bei gleichzeitig 
großer Reichweite, möchte ja Rundum alle Geräte erreichen, auch wenn sie 
nicht genau in Strahlrichtung einer LED liegen (auch vertikal). Bei 
80-90 Grad (LD242) brauch ich rundum mindestens 4, würde aber lieber 6 
nehmen.

Zum theoretischen Verständnis: wenn ich parallel schalten wollte, wie 
balanciere ich die Ströme?

Kannst Du sagen, weshalb meine Schaltung bei Messung mit dem Oszi 
ausflippt und der BC547 dabei einfach durchschaltet?
Ich wollte z.B. die Spannung am Vorwiderstand der LEDs messen um auf den 
Strom schliessen zu können - aber dann fängt die Schaltung an zu 
schwingen oder zumindest zeigt das Oszi nur noch wirre "Störsignale" an 
und die Qs schalten alle durch und es brutzelt mir die LEDs... (hab 
neben den IR LEDs noch eine Info-LED, die mir das Durchschalten zeigte).

Vielen Dank nochmals für Deine konstruktive Kritik und ausführlichen 
Verbesserungsvorschläge, da kann ich grad wirklich was dran lernen.

[Achim S. (Gast)]

'ne Menge neuer Fragen. Mal schauen, was ich beantwortet bekomme :-)

Konrad G. schrieb:
> Da entsteht praktisch durch
> die Erwärmung der Transistoren ein "Regelkreis", der die Assymmetrie
> noch verstärkt?
richtig
> Das ist wahrscheinlich bei der kurzen Sendedauer nicht so stark,
während eines einzelnen Pulses von ein paar µs macht sich dieser 
Temperatureffekt nicht bemerkbar, aber wenn du öfters was aussendest und 
die Transistoren nicht thermisch gekoppelt sind, macht sich die 
Temperaturänderung aufgrund der mittleren Heizleistung vielleicht schon 
bemerkbar.

Konrad G. schrieb:
> Würden denn bei so kurzem Betrieb (die 25ms) die 1A bei Duty Cycle ~20%
> tatsächlich die LED beschädigen?
ich persönlich würde eher nur bis 500mA gehen. Bei 1A werden sie 
bestimmt auch nicht gleich abrauchen, aber evtl. schneller altern als 
nötig. Außerdem strahlst du mit 500mA auch schon eine Menge IR ab. Die 
meisten Fernbedienungen haben nur eine LED. Und ich kann meine in fast 
jede Richtung halten, und der Empfänger schaltet trotzdem.

Konrad G. schrieb:
> Der C1 / 50pF in der Beispielschaltung (vielen Dank für die Mühe!)
> beschleunigt das Durchschalten des Transistors?
nein, im Gegenteil. Er dämpft die steigende Schaltflanke ein wenig. Ohne 
ihn gibt es in der Simulation unschöne Überschwinger, von denen du im 
echten Leben aber wahrscheinlich nichts merken würdest (aber die Simu 
sieht ohne halt weniger schön aus, siehe Anhang).

Konrad G. schrieb:
> Weshalb den ZTX1048A, kann ich nicht den BD139 nehmen?
BD139 geht auch, das Modell des ZTX hatte ich grade greifbar, und 
außerdem nutze ich den gerne.

Konrad G. schrieb:
> Würde ein BUZ11 auch
> gehen, den hab ich ansonsten noch da?
Nö, das ist ein FET. Zum Schalten ist der zwar auch geeignet, aber wenn 
du eine Stromquelle bauen willst bräuchte er eine andere Ansteuerung.

Der Bipolartransistor funktioniert hier einfach als Stromquelle, weil 
bei einem leitenden Bipolartransistor auf der BE-Strecke immer ~0,7V 
abfallen. Deshalb ist der Spannungsteiler R3/R4 so gebaut, dass er eine 
Spannung von 0,7V+0,7V+0,5V=1,9V erzeugt (zwei mal BE für beide 
Transistoren plus ein mal 0,5V Spannungsabfall von 500mA an 1Ohm). Beim 
FET ist die Spannung zwischen Gate und Source für einen bestimmten 
Laststrom nicht so einfach defniert, da muss man für einen Konstantstrom 
die Ansteuerung aufwändiger machen.

Konrad G. schrieb:
> Zum theoretischen Verständnis: wenn ich parallel schalten wollte, wie
> balanciere ich die Ströme?
In deiner Originalschaltung: jeweils ein Widerstand R_Basis zwischen die 
Basis jedes einzelnen BD139 und den Emitter des BC547. Dann geht beim 
Anschalten der Emitter des BC547 bis auf 4,3V hoch, und durch die Basis 
jedes einzelnen  BD139 fließt ungefähr der gleiche Basisstrom 
(4,3V-0,7V)/R_Basis.

Konrad G. schrieb:
> Kannst Du sagen, weshalb meine Schaltung bei Messung mit dem Oszi
> ausflippt und der BC547 dabei einfach durchschaltet?
Das fand ich auch in deinem ersten Post schon seltsam. Ich verstehe es 
nicht wirklich. Meine wahrscheinlichste Erklärung wäre, dass du die 
Oszi-Masse an eine falsche Stelle angeschlossen hast und dadurch zwei 
Stellen kurzgeschlossen wurden, die das besser nicht sein sollten.

Wenn es nicht das war kann ich mir nur vorstellen, dass bei der Messung 
an R8 die Kapazität des Tastkopfs die Ansteuerung der BD139 etwas 
verlängert, so dass diese durchgehend leuchten. Aber so richtig 
wahrscheinlich finde ich das nicht, und der Tastkopf am Vorwiderstand 
der LED sollte die Schaltung völlig kalt lassen.

[Conny G. (conny_g)]

Cool, vielen Dank, in meinem Kopf klärt sich einiges :-)

Dämpfung der Schaltflanke: Verstanden. Das ist spannend, da hatte ich 
mal ein Problem mit einer Transistor-Verstärker-Schaltung, die einem 
Keramik-Buzzer seine Frequenz verpasst (hatte keinen eigenen 
Schwingkreis) und da sah ich auf der Buzzer-Seite eben solche 
Überschwinger bei der Spannung und konnte sie mir nicht erklären. Jetzt 
würde ich sagen, das war genau derselbe Effekt.

Spannungsteiler: da hast mir auch gleich Hilfe gegeben für's 
Nachvollziehen der Berechnung der Schaltung, da setze ich mich gerade 
dran.

Parallelschaltung: ach so, das Problem entsteht wenn man die Basisströme 
"floaten" lässt, wie ich es gemacht habe. Wenn man sie per Vorwiderstand 
"fixiert", dann arbeiten die BD139 alle auf einem konstanten Level.

Seltsame Oszi-Messung: könnte es damit zu tun haben, dass es ein 
Digital-Oszilloskop am USB-Port des Computers ist und die Schaltung 
ebenfalls via Seriell-USB-Konverter am Rechner hängt und sie damit über 
Masse eine Verbindung haben?
Und auch der AVR-Programmer-Stecker hängt meist an der Schaltung, da hat 
es ebenfalls Masseverbindung.

Bzgl. der LED-Leistung und Anzahl LEDs: das ist bei mir sehr verschieden 
von Gerät zu Gerät, beim LG Fernseher kann ich die FB tlw. 90 Grad 
weghalten und es geht noch, manchmal auch an die gegenüberliegende weiße 
Wand (da sind 2 LEDs in der FB).
Mit der Philips Pronto kann man auch fast überallhin halten, die strahlt 
sehr stark. Beim Sony Home Theater Verstärker muss ich allerdings selbst 
mit der Pronto bei einem Winkel von 30 Grad zum Gerät bleiben sonst mag 
der nicht. Liegt hier aber eher am Empfänger, nicht an der FB.
Deshalb will ich 360 Grad und auch vertikal breiten Winkel und 
ordentlich Power, damit es möglichst wenig solcher Probleme gibt. Meine 
Prototyp-Schaltung scheint zumindest schon mindestens so stark zu sein 
wie die Pronto, wobei die 1A ja wg. Spannungszusammenbruch gar nicht 
erst zusammenkommen, vermutlich sogar nur 200-300mA. Kann also richtig 
berechnet nur besser werden.

So, jetzt bin ich erstmal mit Verständnis versorgt, jetzt werde ich mal 
den Spannungsteiler nachrechnen und meine Prototypenschaltung umbauen 
und testen.

Vielen Dank, das ist Top-Unterstützung, die man sich in einem Forum nur 
wünschen kann!

[Michi (Gast)]

mach dir dein leben leichter und nehm eine LED mit wenig leistung. Das 
reicht! Ich sitze daheim vorm Fernseher immer so da, dass die direkte 
Verbindung Fernsteuerung->Fernseher nicht klappt. Deshalb richte ich die 
Fernbedienung immer auf die Decke oder die Wand hinter mir aus und das 
reicht sogar wenn die Sonne voll ins zimmer brennt. Also probier doch 
erst einmal aus was nötig ist, bevor du die Fernseher und Radios deiner 
Nachbarn bedienst...

[Conny G. (conny_g)]

Hallo Achim,

habe das nun über Ostern wie in Deiner in der Simulation umgesetzt, 
zunächst mal mit (fast) denselben Widerstandswerten um zu sehen, was 
herauskommt und dann ggf. nachzurechnen.
Und siehe da: der 1 Ohm hat genau 0.5V und damit tut es schon so wie Du 
es gemacht hast.
Perfekt, vielen Dank!

[Achim S. (Gast)]

gern geschehen

und freut mich, dass die Schaltung für deinen "Blaster" funktioniert...