Konstantstrom mit PWM zum LED dimmen

[Pete J. (redhead)]

Hallo zusammen,

ich bau mir grade mein neues Eigenheim und bin auf die wahnwitzige Idee 
gekommen meine LED Spots über ein Funknetzwerk dimmen zu wollen.

Die Vernetzung der einzelnen Spots stellt für mich momentan kein so 
großes problem wie das eigentlich Dimmen der LEDs.

Ich habe folgende Konstantstromquelle:
https://www.lampen1a.de/bilder/produkte/gross/Trafos-Netzgeraete-KapegoLED-Netzgeraet-RS350mA-8W-spannungskonstant-110-240V-AC-50-60Hz-23V-DC-350-mA-800-W.jpg
350 mA Konstant bei 9 - 22 V


Folgende LED möchte ich dabei gerne dimmen:
http://www.led-leuchtwelt.de/shop/product_info.php/info/p3131_deko-light-565058-deckeneinbauleuchte-cob-68-eckig--gebuerstet--520-lm.html
Leuchtet auch wunderbar bei direktem Anschluss an das Netzteil.

Mein Ansatz:
Ich schalte parallel zur LED einen Wiederstand von 35 Ohm, so dass an 
diesem (0,35 A * 35 Ohm ) 12 V abfallen. Dieser wird über einen 
Transistor (BC337 angeschlossen am µC via PWM) geschaltet. Dadurch dass 
nun am Wiederstand + Transistor (E -> C) ca 12 V abfallen ligen an der 
parallel geschalteten LED auch nurnoch 12 V an.
Ich hatte die LED an einem 12 V Netzteil ausprobiert und sie hatte nicht 
geleuchtet. Ich gehe davon aus, dass sie dabei noch hochohmig ist und 
somit der gesammte Strom über den Wiederstand und Transistor fließt.

Als konstantspannungsquelle für den µC habe ich mich für ein L78L33 
entschieden.
http://www.pollin.de/shop/downloads/D170135D.PDF
Spricht da was dagegen?

Zum Verständnis habe ich noch ein Bild mit angefügt. Ich hoffe ihr könnt 
meinen Ansatz verstehen :-)

Ich habe da noch eine Verständnisfrage:
Bei einer konstantstromquelle gilt ja: je niedrieger der Wiederstand 
desto kleiner die Spannung (U = R*I). Heist dies, das man damit keinen 
Kurzschluss bauen kann, da bei einem Kurzschluss R gegen 0 geht und 
somit auch U gegen 0 geht?

Vielen dank schon einmal für eure Denkanstöße.

Redhead

[Ulrich F. (Gast)]

In der Elektrobucht gibts sicherlich PWM fähige KSQ für deine 350mA LED 
für recht kleine Kasse.

[Stefan S. (mexakin)]

Deine LED wir IMMER mit 12V betrieben, weil der Fet oder Transistor oder 
was auch immer ja parallle zu ihr hängt, ich tippe mal bei 12V ist sie 
schon einfach durchgebrannt, zumindest wenns eine einfache ist, vlt sind 
3 oder 4 Chips intern in Serie dann kannst du Glück haben, normalerweise 
nimmst du zum Testenm ein Netzgerät im Strombegrenzungsmodus, stellst 5 
..10 mA ein und drehst glangsam die Spannung hoch, dann darf die LED 
eigentlich nicht kaputtgehen und du siehst wieviel Vorwärtsspannung bei 
welchem Strom bei ihr anliegt.

Am einfachsten billigsten tust du die LED in Reihe mit Vorwiderstand als 
Kontsantstromquelle und den Schalter betreibst du mit ner schnellen PWM, 
dann kannst du quasi ganz schnell ein und ausschalten ohne dass das 
menschliche auge das sieht und es entsteht eine Dimmung.

[Boris O. (bohnsorg)]

Ich schlage vor, es noch komplizierter zu machen und beim Stromversorger 
um die Frequenzänderung in der Netzspannung bitten. Dann sind noch alle 
Schaltnetzteile gegen viel Kupfer, am besten auf Blechkernen, zu 
tauschen und irgendetwas aus Raumfahrtmaterial muss noch rein.

In allen anderen Fällen, d.h. wenn es nicht nur arge Spannungseinbrüche 
machen soll, sondern PWM von >100Hz, rate ich zum Kauf einer dafür 
vorgesehen Konstantstromquelle. Die gibt es, bspw. von Meanwell und 
anderen, sogar in lötbaren und bedrahteten Versionen. Sie sind nicht 
größer als ein Kaubonbon (Markenprodukt von Omi, nicht die leckeren 
flachen aus dem Kindergarten) und besitzen einen PWM-Eingang.

Damit werden mehrere Probleme auf einmal gelöst:
1. die Konstantstromquelle verändert ihr Regelverhalten korrekt, statt 
einen Spannungseinbruch verkraften zu müssen
2. der Steuereingang ist für Logikpegel vorgesehen, d.h. die 
Versorgungsspannung und der Logikpegel dürfen unterschiedlich sein, ohne 
den Logikteil zu schädigen (Basisstrom nicht vergessen, clevere 
FET-Eingänge sind nahezu leistungslos ansteuerbar)
3. die Ausfallwahrscheinlichkeit durch Überhitzung sinkt dramatisch

[Torsten C. (torsten_c)]

Pete Jork schrieb:
> Heist dies, das man damit keinen
> Kurzschluss bauen kann, da bei einem Kurzschluss R gegen 0 geht und
> somit auch U gegen 0 geht?

Ja, aber da steht 9 - 23V, weil der Kapego LED driver unter 9V 
vermutlich zu heiß wird.

Eine 'PWM fähige KSQ aus der Elektrobucht'^^ macht mehr Sinn.

Theoretisch ist die Idee machbar, wenn die KSQ ein idealer Buck-Regler 
ist, der bis 0V ausgelegt ist. Dann hättest Du bei "dunkel" keine 
Verlustleistung, da 0 V * 350mA = 0 W.

[Pete J. (redhead)]

Hallo,

erst einmal vielen Dank für euer Feedback!

@Combi:
Die KSQ ist ist schon vorhanden und kann leider nicht mehr ausgetauscht 
werden ( Es betrifft Ca 22 Spots ). Die Problematik war, ein Trafo zu 
finden der so klein ist das er mit unter die eingezogene Decke verbaut 
werden konnte.

@mexakin:
Wenn in der Schaltung der Transistor auf der Basis nicht angesteuert 
wird, dann ist der Transistor ja hochohmig und der ganze Strom fließt 
meiner meinung nach über die LED. Daher wird die Spannung an der LED 22V 
sein, dass die LED leuchtet.

@bohnsorg:
Deine Vorschläge mit Raumfahrtmaterial hören sich auf jeden Fall 
verlockend an ;-) aber wie gesagt die Konstantstromquellen sind 
vorgegeben. Kannst du mir bitte trotzdem eine solche Konstantstromquelle 
mit der Leistung von 8W nennen mit den von dir angesprochenden 
Kaugummimaßen :-) das Würde mich auf jeden Fall interessieren. Danke 
schon einmal dafür.
Ein Problem bleibt dann aber: Ich muss an die Stromquelle noch mein µC 
anschließen, da ich das ganze ja noch steuern will.

@Torsten:
Danke für die Info. Ich hatte mir sowas schon gedacht.

@All:
Was würde passieren, wenn ich den Transistor vor die LED schalten würde? 
Das würde dann ja bedeuten, dass wenn die Basis nicht angesteuert wird 
ein sehr hoher Wiederstand besteht, die KSQ aber 350 mA liefern will und 
somit die Spannung extem hochschrauben würde. Führt das dann nicht auch 
zu überhitzung? Die Schaltung dazu habe ich im Anhang beigefügt : )

[1234567890 (Gast)]

Nachdem ich deine Schaltungen hier angeschaut habe, habe ich das Gefühl, 
dass dein nagelneues Eigenheim bald nur noch ein Haufen Asche ist oder 
mindestens schwarz und von der Feuerwehr nassgespritzt.

Meine Empfehlung:
Geld scheint ja keine Rolle zu spielen. Kauf dir das ganze Zeugs vom 
Fachhändler und lass es von einem Fachmann zusammenbauen.

[Pete J. (redhead)]

Hey 1234567890,

erst mal danke für deine Kritik. Aber kannst du mir auch sagen, warum 
alles in Flammen aufgehen wird? Ich habe ja die Frage gestellt, um 
Fehler in der Schaltung aufzudecken :)

[Stefan S. (mexakin)]

bei deinem neuen Schaltbild ist auch so einiges im argen, also das ist 
mir leider zuviel dir zu helfen, vlt mal anfangen Transistorschaltungen 
zu lesen, mosfetschaltung sollts bei dir tun, vorwiderstand und led im 
drainzweig desselbigen, dann kann dein µC den auch schalten, deine 
aktuelle Beschaltung wird eher wenn überhaupt zufällig funktionieren :)


Und wenn eine Spannungsquelle dranhängt und du parallel dazu auffächerst 
wird sich niemals der Strom von Zweig zu Zweig ändern, das ist Physik 
daran kannst du nix ändern, da shat was mit den Grundlagen der 
Elektrotechnik zu tun, und dass musst du dir leider oder gott sei dank 
selber beibringen, bevor noch jemand zu Schaden kommmt.

[Pete J. (redhead)]

Hallo Stefan,

danke für deine Antwort. Das ich mit meiner Schaltung so weit im argen 
liege hätte ich nicht vermutet.
Grundlagen der Elektrotechnik sollten bei mir vorhanden sein, auch wenn 
es sich dabei auf 2 Semester Elektrotechnik beschränkt.

Das es auf jeden Fall ein MosFet sein muss sehe ich ersteinmal nicht 
ein. Es gibt ja schließlich auch normale NPN Transistoren, mit denen man 
Leistungen schalten kann. Ich sehe ersteinmal kein Problem wieso der 
BC337 nicht eingesetzt werden kann.

Weiteres Beispiel:
http://www.michael-floessel.de/mfblog/elektronische-lasten-am-mikrocontroller-offener-kollektor-transistor-als-schalter/

stefan schmitt schrieb:
> Und wenn eine Spannungsquelle dranhängt und du parallel dazu auffächerst
> wird sich niemals der Strom von Zweig zu Zweig ändern, das ist Physik
> daran kannst du nix ändern

Ich denke du beziehst dich dabei auf meine erste Schaltung. Zum einen 
handelt es sich nicht um eine Spannungsquelle sondern um eine 
Konstantstromquelle. Und wenn ich einen parallelen Zweig "auffärche" 
denke ich schon das es nach den Physikalischen gegebenheiten das ein 
oder andere Elektron in den parallelen Zweig verirren wird.

Kannst du mir bitte noch einmal konkret sagen, woran meine Schaltung 
scheitert? Bzw. wie würdest du das Problem lösen?

[Torsten C. (torsten_c)]

Ich habe gerade ein Déjà-vu.

Pete Jork schrieb:
> somit die Spannung extem hochschrauben

Bei einer idealen Stromquelle ja, aber da steht 9 - 23V, weil der Kapego 
LED driver über 23V vermutlich den Strom drosselt und die Spannung nur 
wenig weiter ansteigt.

Ich würde gern helfen, aber ich weiss ehrlich gesagt nicht, wobei genau.

[Joe F. (easylife)]

Die Lösung, die du vor hast ist sicherlich nicht ideal,
besser wäre es sich dimmbare Netzgeräte wie z.B. dieses hier zu 
besorgen:
https://www.mikrocontroller.net/attachment/260233/Dimmer.png
18 EUR x 22 = 400 EUR.
Vielleicht kannste die alten ja wieder verkloppen.

Die Frage ist tatsächlich, wie die Netzgeräte, die du hast, darauf 
reagieren, wenn man sie ständig in den Überspannungmode schickt.
Im Extremfall wird es dabei heiss und geht kaputt.

Deine 2. Schaltung ist schon nicht ganz so verkehrt (Transistor in Reihe 
mit der LED) allerdings gehört die LED an den Collector, und der Emitter 
an GND.

Es wird folgendes passieren: wenn die LED eingeschaltet ist, regelt die 
KSQ die Spannung so ein, dass die 350mA durch LED und Transistor 
fließen.
Das müssten eigentlich schon die vollen 22V sein, wenn man den Angaben 
zur LED Leuchte trauen kann (8W / 350mA).

Im Zweifel hat die LED jedoch tatsächlich weniger Leistung, und die 
benötigte Spannung geht entsprechend runter.

Jetzt schaltest du die LED aus, die KSQ versucht den Strom aufrecht zu 
erhalten, geht mit der Spannung dann rauf, bis sie bei 22V aufhört.

Schlecht an dem Ganzen ist, dass der Eingangskondensator deines LDOs 
diesen ständigen und sehr plötzlichen Spannungsänderungen ausgesetzt ist 
-> er wird warm und geht schnell hinüber.

Darum benötigst du zumindest eine Diode, um das Entladen von C1 in 
Richtung KSQ/LED zu verhindern.

Der BC337 sollte den Strom vom 350mA aushalten, allerdings kommt mir das 
eher grenzwertig dimensioniert vor.
Ein Logic Level N-Kanal FET für 1A kostet auch nicht die Welt.
FDC8884 (0,50 USD), AO3406 (0,52 USD) etc.

[Pete J. (redhead)]

Hallo und danke für das weitere Feedback!

@Torsten:
Torsten C. schrieb:
> Ich würde gern helfen, aber ich weiss ehrlich gesagt nicht, wobei genau.

Hier noch einmal die Kurzfassung: Ich habe ein 230V Anschluss aus der 
Decke hängen an den ich den besagten Trafo anschließe um die LED zu 
versorgen. Die LED möchte ich gerne dimmen und habe dabei an eine PWM 
gedacht. Die PWM wird von einem µC generiert welcher von der gleichen 
Trafo (aus Platzgründen) versorgt werden muss.

@Joe:
Danke für deine ausführliche Antwort.
Ein Trafo mit zusätzlichen PWM Eingang scheidet leider aus, da ich so 
keine Stromversorgung für meinen µC habe. Dein link würde mich dennoch 
sehr interessieren. Dieser geht aber leider auf meine 1. Schaltung.

Joe F. schrieb:
> Die Frage ist tatsächlich, wie die Netzgeräte, die du hast, darauf
> reagieren, wenn man sie ständig in den Überspannungmode schickt.
> Im Extremfall wird es dabei heiss und geht kaputt.

Das gleiche hatte ich mich auch gefragt. Daher hatte ich zuerst überlegt 
mit meiner ersten Schaltung die Spannung auf 12V zu drosseln, indem ich 
einen niederiegen Wiederstand parallel schalte. Damit würde sich die 
Last senken. Da ist nur die Frage: Kann die KSQ diese schnellen 
leistungsänderungen ab bzw. so schnell ausregeln. Das Pollinpaket ist 
schon auf dem Weg und ich werde sobald es da ist die Schaltung aufbauen 
und das ganze mit nem Oszi messen.
Kannst du mir konkret sagen, wieso du die zweite Schaltung besser 
findest?

Für mich spricht für die 2. Schaltung, dass die Spannungsschwankungen 
ehr gering ausfallen werden (20V LED an 22V LED aus). Dies ist bei der 
1. Schaltung von 12V LED aus auf 20V LED an schon erheblich größer. 
Gegen die 2. Schaltung spricht wie du schon gesagt hast, dass diese bei 
ausgeschalteter LED im überlastmodus ist.

Joe F. schrieb:
> Der BC337 sollte den Strom vom 350mA aushalten, allerdings kommt mir das
> eher grenzwertig dimensioniert vor.

Im Datenblatt steht: Collector Current − Continuous Ic 800 mAdc

Dies ist der für mich ausschlaggebende Wert.

Hoffentlich kommt das Pollinpaket bald an, dass ich die ersten Tests 
duchführen kann : )

[Joe F. (easylife)]

Pete Jork schrieb:
> Dein link würde mich dennoch
> sehr interessieren. Dieser geht aber leider auf meine 1. Schaltung.

Sorry. Hier der Link:
http://www.led-leuchtwelt.de/shop/product_info.php/info/p2247_deko-light-872642---kapegoled-netzgeraet--d35009u--stromkonstant--dimmbar.html

Pete Jork schrieb:
> Da ist nur die Frage: Kann die KSQ diese schnellen
> leistungsänderungen ab bzw. so schnell ausregeln.

Das ist eben genau die Frage.
Die Idee die Spannung mit dem Widerstand runterzuzwingen ist halt böse, 
weil der Widerstand dann über 4W verbrät.

Pete Jork schrieb:
> Kannst du mir konkret sagen, wieso du die zweite Schaltung besser
> findest?
>
> Für mich spricht für die 2. Schaltung, dass die Spannungsschwankungen
> ehr gering ausfallen werden (20V LED an 22V LED aus).

Genau dies würde ich auch erwarten. Evtl. etwas mehr als 22V, aber egal.

>Dies ist bei der
> 1. Schaltung von 12V LED aus auf 20V LED an schon erheblich größer.
> Gegen die 2. Schaltung spricht wie du schon gesagt hast, dass diese bei
> ausgeschalteter LED im überlastmodus ist.

Sie ist dann nicht im Überlastmodus, sondern im Überspannungsmodus. D.h. 
die KSQ versucht zunächst die Spannung zu erhöhen, und merkt dann, dass 
die obere Grenze erreicht ist, und schaltet erstmal ab, bis die Spannung 
wieder im normalen Bereich ist.
Das schützt das Netzteil auch davor, dass es kaputt geht, wenn die LEDs 
nicht angeschlossen sind, oder defekt sind.

Die Frage ist einfach, wie reagiert die KSQ, wenn dieser Zustand sehr 
häufig (50, 100x pro Sekunde) provoziert wird. Kann sie überhaupt den 
Strom so schnell ein- und ausschalten? Oder bringt man dadurch auch die 
Konstantstromregelung durcheinander?
Musst du ausprobieren.

Pete Jork schrieb:
> Im Datenblatt steht: Collector Current − Continuous Ic 800 mAdc
>
> Dies ist der für mich ausschlaggebende Wert.

Das gilt, wenn der Transistor voll durchgesteuert ist.
Du fährst ihn aber ständig (kurzzeitig) durch den linearen Bereich, in 
dem er einen größeren Innenwiderstand hat, also mehr Spannung abfällt 
und er damit heisser wird, als wenn er voll durchgesteuert ist.
Ein MosFet schaltet schneller, so dass hier die Verlustleistung geringer 
ist.

[Pete J. (redhead)]

Joe F. schrieb:
> Schlecht an dem Ganzen ist, dass der Eingangskondensator deines LDOs
> diesen ständigen und sehr plötzlichen Spannungsänderungen ausgesetzt ist
> -> er wird warm und geht schnell hinüber.

Hierzu hatte ich mir auch noch Gedanken gemacht und hatte mir den 
angehängten Ansatz mit Zener-Diode überlegt. So könnte ich zum einen 
dieverse Bauteile sparen und hätte das Problem mit dem Kondensator 
behoben. Die Spannung am µC wird dann zwar minimal schwanken was aber 
kein Problem sein sollte. Mit dem 350 Ohm Wiederstand R3 sollten über 
diesen Zweig dann bei LED an:
(19V - 3,3V ) / 350 Ohm = 45mA
bei LED aus:
(22V - 3,3V ) / 350 Ohm = 53mA

fließen, was die LED generell etwas dunkeler machen sollte, da diese 
dann nurnoch 300 mA abbekommt.

Joe F. schrieb:
> Das gilt, wenn der Transistor voll durchgesteuert ist.
> Du fährst ihn aber ständig (kurzzeitig) durch den linearen Bereich, in
> dem er einen größeren Innenwiderstand hat, also mehr Spannung abfällt
> und er damit heisser wird, als wenn er voll durchgesteuert ist.
> Ein MosFet schaltet schneller, so dass hier die Verlustleistung geringer
> ist.

Kann deine Ausführungen nachvollziehen. Hätte aber nicht gedacht, dass 
die Schaltzeiten so langsam sind, dass dies mit ins gewicht fällt. Werde 
mir dann aber noch einen passenden FET herraussuchen. Danke für die 
Erklärung.

[Torsten C. (torsten_c)]

Es gibt also 3 Möglichkeiten:

* Per PWM auf 9V runter ziehen und 3,15W im Widerstand verheizen

* Verbraucher kappen: Ausprobieren, ob das Netzteil schlell genug aus
  der 'überspannung' raus kommt, damit es nicht flimmert (sehen wir,
  wenn es ausprobiert wurde)

* PWM fähige KSQ nehmen, wie Ulrich F. (combie) schrieb.

Richtig?

BTW: 100Hz sind bei trägen Glühlampen OK, bei LEDs gibt es ein Flackern, 
wie z.B. den 'Perlschnureffekt' in KFZ-Rückleuchten. Das kann bei 
schnellen Bewegungen der Augen stören, muss es aber nicht.

[Pete J. (redhead)]

Torsten C. schrieb:
> * PWM fähige KSQ nehmen, wie Ulrich F. (combie) schrieb.

Geht leider nicht, da ich so keine Versorgungsspannung für den µC habe. 
Weiter sind die meisten Netzteile die ich im Netz gefunden habe zu groß. 
Diese müssen durch ein 60 mm Durchmesser großes loch in der Decke und 
haben grade mal 50 mm platz in der Zwischendecke.

Bleiben also noch die ersten beiden Varianten. Sobald ich diese 
ausprobiert habe werde ich die Ergebnisse hier präsentieren.

Torsten C. schrieb:
> BTW: 100Hz sind bei trägen Glühlampen OK, bei LEDs gibt es ein Flackern,
> wie z.B. den 'Perlschnureffekt' in KFZ-Rückleuchten. Das kann bei
> schnellen Bewegungen der Augen stören, muss es aber nicht.

gut zu wissen. Ich werde dann mit verschiedenen Frequenzen testen und 
ausprobieren. Ich hatte mir überlegt zwischen 50 - 100 Hz zu nutzen aber 
werde dann denk ich auf 200 Hz hoch gehen.