LED bei hoher Frequenz betreiben -> Stützkondensator?

[Niko U. (Gast)]

Guten Abend zusammen :)

Ich bin dabei ein LED "Blinklicht" mit variabler Frequenz und Pulsbreite 
zu basteln. Das ganze wird digital angesteuert.

Leider ergibt sich bei hohen Frequenzen bzw. kleinen Pulsbreiten (bspw. 
10 % An- und 90 % Auszustand der LED) das Problem, dass die LED nicht 
genügend Strom abbekommt.

Folgende Komponenten verwende ich:
- Akku 5V
- Cree XLamp XM-L LED bei U_led = 2,9V und I_led = 700 mA
- Vorwiderstand für LED R_led = 3 Ohm
- Ansteuerung der LED via MOSFET und Arduino Mega 2650

Die Frage wäre jetzt, wie kann ich effektiv dafür sorgen, dass die LED 
auch bei hohen Frequenzen die 700 mA erhält? Mein erster Gedanke wäre 
ein Stützkondensator. Nur kenne ich mich mit der Dimensionierung dieser 
nicht ausreichend aus bzw. frage mich, ob hierfür überhaupt genügend 
Spielraum vorhanden ist, da der Akku ja nicht mehr als 5V liefert (ein 
anderer Akku kommt leider nicht in Frage aus Kostengründen...).

Brauche ich zusätzlich zum Stützkondensator eine Schutzdiode?

Mir wurde folgender Aufbau empfohlen (siehe Skizze), nur leider verstehe 
ich nicht den Sinn von R1 und wieso für R2 I_max angesetzt wird und 
nicht der Nennstrom der LED von 700 mA (die LED kann maximal 3000 mA 
vertragen).

Wenn ihr bessere Vorschläge habt, gebt Bescheid :)

Einen angenehmen Abend gewünscht :)

[Falk B. (falk)]

@ Niko Unknown (niko88)

>Ich bin dabei ein LED "Blinklicht" mit variabler Frequenz und Pulsbreite
>zu basteln. Das ganze wird digital angesteuert.

>Leider ergibt sich bei hohen Frequenzen bzw. kleinen Pulsbreiten (bspw.
>10 % An- und 90 % Auszustand der LED) das Problem, dass die LED nicht
>genügend Strom abbekommt.

Weil deine Schaltung nicht gut ist.

>- Akku 5V
>- Cree XLamp XM-L LED bei U_led = 2,9V und I_led = 700 mA
>- Vorwiderstand für LED R_led = 3 Ohm

Das mag theoretisch reichen, praktisch ist dein Strom alles andere als 
konstant. Der schwankt stark mit dem Ladezustand des Akkus.

>- Ansteuerung der LED via MOSFET und Arduino Mega 2650

Was für ein MOSFET?

>Die Frage wäre jetzt, wie kann ich effektiv dafür sorgen, dass die LED
>auch bei hohen Frequenzen die 700 mA erhält?

Welche hohen Frequenzen? ZAHLEN bitte! Siehe Netiquette!
Vor allem braucht es eine gescheite MOSFET-Ansteuerung. Für Arduino-PWM 
mit 490 Hz reicht ein Logic Level MOSFET ala IRLZ34N, direkt vom AVR 
angesteuert.

> Mein erster Gedanke wäre
>ein Stützkondensator.

Das auch. Ein paar hundert uF sollten reichen, sagen wir 330 oder 470uF.

> Nur kenne ich mich mit der Dimensionierung dieser
>nicht ausreichend aus bzw. frage mich, ob hierfür überhaupt genügend
>Spielraum vorhanden ist,

Nein.

>Brauche ich zusätzlich zum Stützkondensator eine Schutzdiode?

Nein.

>Mir wurde folgender Aufbau empfohlen (siehe Skizze), nur leider verstehe
>ich nicht den Sinn von R1 und wieso für R2 I_max angesetzt wird und
>nicht der Nennstrom der LED von 700 mA (die LED kann maximal 3000 mA
>vertragen).

Sieht nicht sonderlich sinnvoll aus, zumal du so schon zu wenig Spannung 
für die LED und eine gescheite Konstantstromquelle hast.

[Niko U. (Gast)]

@Falk Brunner

Erstmal danke für die Antwort :)

Der Akku liefert 2 A für die LED und nochmal 1 A für den Arduino. Als 
Mosfet verwende ich einen IRLIZ44NPbF. Das ist auch ein Logic Level 
Mosfet und wird direkt vom Arduino angesteuert.

Angestrebt werden Frequenzen im Bereich 0 ... 200 Hz. Wenn mehr machbar 
ist, dann auch mehr, je nachdem was die LED mitmacht. Ich denke aber 
mehr als 400 Hz
müssen nicht sein.

Kann ich denn jetzt überhaupt etwas verbessern mit einem 
Stützkondensator, oder macht das wenig sinn?

Wie sieht es mit der Schutzdiode aus, benötige ich eine?

[Falk B. (falk)]

@ Niko Unknown (niko88)

>Der Akku liefert 2 A für die LED und nochmal 1 A für den Arduino.

Was macht ein Arduino mit 1A?

>Mosfet verwende ich einen IRLIZ44NPbF. Das ist auch ein Logic Level
>Mosfet und wird direkt vom Arduino angesteuert.

Ist OK.

>Kann ich denn jetzt überhaupt etwas verbessern mit einem
>Stützkondensator, oder macht das wenig sinn?

Der Stützkondensator ist OK. Aber man müsste auch mal messen, damit man 
sieht was WIRKLICH los ist.

>Wie sieht es mit der Schutzdiode aus, benötige ich eine?

Nein. Aber bei man muss schon aufpassen, daß man den Akku nicht verpolt, 
das überlebt die Schaltung nicht ;-)

[Niko U. (Gast)]

Nein, da hast du mich falsch verstanden :D Ich nutze einen "Akkupack", 
der zwei USB-Ausgänge hat. Die 1 A braucht der Arduino natürlich nicht. 
Das ist nur der Wert, welcher maximal möglich wäre. Genauso braucht die 
LED keine 2 A, sondern nur 700 mA.

Ich habe jetzt noch eine Verständnisfrage, da ich gerne nachvollziehen 
möchte, wie ich auf den richtigen Kondensatorwert komme.

Folgende Schaltung würde ich jetzt realisieren (ich habe mal den Mosfet 
und Arduino außen vor gelassen) -> siehe Anhang.

Um die Kapazität des Kondensators zu bestimmen, nutze ich folgende 
Kenngrößen:

I_Nenn(LED) = 700 mA
R_Vorwiderstand_LED = 3 Ohm
U_Akku = 5V
Gewünschte Frequenz f_led = 400 Hz = 2,5 ms

Nach der Formel C = I * dt / dU errechne ich mir nun den gesuchten 
Kondensator. Was setzt man hier jetzt für Werte ein? Für dt würde ich 
die 2,5 ms ansetzen. Was setzt man für dU ein? An und für sich darf ja 
die Spannung nicht weniger als 5V werden, aber mehr gibt der Akku auch 
nicht her... Sprich liegt weniger als 5 V am Vorwiderstand und der LED 
an, leuchtet diese ja wieder nicht hell genug... Sollte man hier ca. 4,9 
V ansetzen?

Danke schon mal für eure Hilfe :)

[Mani W. (e-doc)]

Niko U. schrieb:
> Leider ergibt sich bei hohen Frequenzen bzw. kleinen Pulsbreiten (bspw.
> 10 % An- und 90 % Auszustand der LED) das Problem, dass die LED nicht
> genügend Strom abbekommt.

Das wäre ja schon eine PWM, die nur mehr 10% durchlässt -
oder eine Frage der Ansteuerung des Ausgangstransistors(Fet)...

[eProfi (Gast)]

Tut mir leid, dein Vorhaben ist eher ungünstig gelöst.
Die 5V-Akkupacks haben meist eine 3,6V Li-Zelle und einen StepUp 
(Boost)-Converter. Daran eine PWM mit RC-Glättung zu bauen, ist 
suboptimal.

So etwas baut man direkt von der Zelle weg als Stromregler mit PWM und 
L-Glättung, weil
 - ein Vorwiderstand Leistung vernichtet.
 - eine mit purer PWM angesteuerte LED immer einen schlechten
   Wirkungsgrad hat (kleiner Stromflusswinkel).

Eine passende Schaltung gibt es fix und fertig optimiert für wenig Geld.
Natürlich lernt man dabei wenig. Aber mit deinem Vorwissen wird es 
schwierig, etwas annähernd Adäquates zu entwickeln.
Mit den gegebenen Tips kannst Du weitersuchen und dich weiterbilden.

[Niko U. (Gast)]

@eProfi
Ja, die Erkenntnis habe ich mittlerweile auch gewonnen :) Aber jeder 
fängt ja mal klein an (war mein erstes Projekt in diese Richtung) :)
Würde ich jetzt nochmal von vorne anfangen, würde ich gleich auf eine 
Konstantstromquelle zurückgreifen. Leider habe ich jetzt nicht mehr die 
Möglichkeit auf einen andere Ansteuerung der LED umzuschwenken, deshalb 
probiere ich noch das Beste draus zu machen :)

Der (notdürftige) Lösungsansatz wäre also immer noch einen 
Stützkondensator in die Schaltung einzubringen. Kann mir noch jemand 
meine Frage bezüglich der nötigen Kondensatorgröße beantworten?

Danke und einen angenehmen Ostermontag :)

[Stefan F. (Gast)]

Du hast doch schon eine Größe empfohlen bekommen. Siehe Falk Brunners 
Antwort.

[Falk B. (falk)]

@ Niko Unknown (niko88)

>Um die Kapazität des Kondensators zu bestimmen, nutze ich folgende
>Kenngrößen:

>I_Nenn(LED) = 700 mA
>R_Vorwiderstand_LED = 3 Ohm
>U_Akku = 5V
>Gewünschte Frequenz f_led = 400 Hz = 2,5 ms

>Nach der Formel C = I * dt / dU errechne ich mir nun den gesuchten
>Kondensator.

Ja.

> Was setzt man hier jetzt für Werte ein? Für dt würde ich
>die 2,5 ms ansetzen.

OK.

> Was setzt man für dU ein?

Den maximal zulässigen SPannungsABFALL pro PWM-Periode.

>An und für sich darf ja
>die Spannung nicht weniger als 5V werden,

Eben.

>an, leuchtet diese ja wieder nicht hell genug... Sollte man hier ca. 4,9
>V ansetzen?

Kaum. Denn wenn die Spannung UM 4,9V abfällt, bleiben noch 0,1V übrig. 
Da leuchte die LED schon lange nicht mehr ;-)

Bei deiner Konstruktion kannst du dir kaum Spannungsabfall leisten, ich 
würde mal tippen 0,1-0,5V.

Aber das Problem liegt bei dir eher an der Ansteuerung als am 
Pufferkondensator.

[Jens G. (jensig)]

>Ich bin dabei ein LED "Blinklicht" mit variabler Frequenz und Pulsbreite
>zu basteln. Das ganze wird digital angesteuert.

>Leider ergibt sich bei hohen Frequenzen bzw. kleinen Pulsbreiten (bspw.
>10 % An- und 90 % Auszustand der LED) das Problem, dass die LED nicht
>genügend Strom abbekommt.
...
>Die Frage wäre jetzt, wie kann ich effektiv dafür sorgen, dass die LED
>auch bei hohen Frequenzen die 700 mA erhält? Mein erster Gedanke wäre

Die Frage verstehe ich ehrlich gesagt überhaupt nicht.

Soll die LED wirklich nur mit unterschiedlicher Pulsbreite und Frequenz 
blinken (auch wenn 200Hz vielleicht nur noch bei der Fliege als Blinken 
zählt)?
Während der Pulszeiten sollten die 700mA doch unabhängig von Dauer und 
Frequenz fließen. Wieso soll da der Strom plötzlich kleiner werden (es 
sei denn, Du meinst den mittleren Strom, der bei kleinerem 
Tastverhältnis logischerweise kleiner wird).
Da braucht man eigentlich keinen fetten Stütz-C für diesen Zweck, wenn 
die Versorgung einigermaßen stabil ist.
Also eigentlich sollte ein Mosfet in Reihe mit der LED reichen, und über 
das ganze nur ein normaler Stütz-C unmittelbar über Mosfet+LED, zum 
Abfangen der Stromwechsel.

[Niko U. (Gast)]

Falk B. schrieb:
> Aber das Problem liegt bei dir eher an der Ansteuerung als am
> Pufferkondensator.

Danke für deine Antwort :)

Leider komme ich für den nötigen Spannungsabfall von 0,1 - 0,5 auf 
Größen von ca 18.000 uF... Mit deinem Hinweis von 470 uF würde ich ein 
dU von 3,7V erreichen bei dt = 2,5ms, was ja auch nicht wirklich etwas 
bringen würde :(

Jens G. schrieb:
> Die Frage verstehe ich ehrlich gesagt überhaupt nicht.
>
> Soll die LED wirklich nur mit unterschiedlicher Pulsbreite und Frequenz
> blinken (auch wenn 200Hz vielleicht nur noch bei der Fliege als Blinken
> zählt)?

Ja, das ganze soll ein Stroboskop für messtechnische Zwecke werden. 
Damit soll beispielsweise der Aliasing Effet demonstriert werden. 
Einfaches Beispiel: Man bringt einen Lüfter zum stehen. Durch das Ändern 
der Pulsbreite verhindert man dabei einen "Schmiereffekt".

> Während der Pulszeiten sollten die 700mA doch unabhängig von Dauer und
> Frequenz fließen. Wieso soll da der Strom plötzlich kleiner werden (es
> sei denn, Du meinst den mittleren Strom, der bei kleinerem
> Tastverhältnis logischerweise kleiner wird).
> Da braucht man eigentlich keinen fetten Stütz-C für diesen Zweck, wenn
> die Versorgung einigermaßen stabil ist.

Also eigentlich ist die Versorgung stabil. Ich werde das ganze aber 
nochmal mit dem Ossi durchmessen.

> Also eigentlich sollte ein Mosfet in Reihe mit der LED reichen, und über
> das ganze nur ein normaler Stütz-C unmittelbar über Mosfet+LED, zum
> Abfangen der Stromwechsel.

Ich habe das ganze gerade nochmal am Lüfter getestet. Bei einer 
Pulsbreite von 50% bleibt das ganze bis 200 Hz gefühlt konstant von der 
Helligkeit her. Nur bei 10% habe ich mir mehr erhofft, aber das werde 
ich nochmal durchmessen, was da für Ströme fließen.

Da 18.000 uF ja sicherlich maßlos übertrieben ist, reicht hier, wie 
bereits von Falk brunner erwähnt, ein kleiner Stütz-Kondensator in der 
Größe 470 uF?

[Jens G. (jensig)]

>Ich habe das ganze gerade nochmal am Lüfter getestet. Bei einer
>Pulsbreite von 50% bleibt das ganze bis 200 Hz gefühlt konstant von der
>Helligkeit her. Nur bei 10% habe ich mir mehr erhofft, aber das werde
>ich nochmal durchmessen, was da für Ströme fließen.

Ja, was hast Du dir denn sonst gedacht.
Also geht es hier nur u den mittleren Strom, bzw. (auch gefühlte) 
Leuchtstärke.
Wenn die LED (bei höheren Frequenzen) nur noch 10% der Gesamtzeit 
leuchtet, dann erscheint diese eben dunkler als mit 50% . Ist doch 
normal, und hat nix mit Pufferung zu tun.

Da mußt Du eben den Strom erhöhen, wenn das Tastverhältnis kleiner wird. 
Nur wird das dann deutlich komplizierter, wenn das automatisch geschehen 
soll ...

[Stefan F. (Gast)]

Wie kommst du auf 18.000µF. Gehst du davon aus, dass die Batteire 
zwischendurch abgeklemmt wird?

Stützkondensatoren ersetzen nicht die Stromversorgung, sondern Stürzen 
sie lediglich. Sie sorgen dafür, dass die Versorgungsspannung nicht zu 
sprunghaft schwankt, denn das kann bei manchen IC's Fehlfunktionen 
auslösen (übrigens auch bei Schaltnetzteilen, wie der in deinem Akku 
Pack integrierte).

Zum Stützen verwendet man selten mehr als 1000µF. Eher 100µF oder noch 
weniger.

[Niko U. (Gast)]

Jens G. schrieb:
> Ja, was hast Du dir denn sonst gedacht.
> Also geht es hier nur u den mittleren Strom, bzw. (auch gefühlte)
> Leuchtstärke.
> Wenn die LED (bei höheren Frequenzen) nur noch 10% der Gesamtzeit
> leuchtet, dann erscheint diese eben dunkler als mit 50% . Ist doch
> normal, und hat nix mit Pufferung zu tun.

Das ist mir soweit klar :)

Stefan U. schrieb:
> Wie kommst du auf 18.000µF. Gehst du davon aus, dass die Batteire
> zwischendurch abgeklemmt wird?

Wahrscheinlich habe ich die obige Formel falsch angewandt und komme 
daher auf diesen Wert... Nur zum Verständnis, wie berechnet man denn den 
nötigen Stützkondensator, wenn die Batterie während dem Betrieb nicht 
abgeklemmt wird? Ich habe mit der Formel C = I *dt/dU gerechnet mit 
folgenden Werten:

I = 700 mA (LED Nennstrom)
dt = 2,5 ms (400 Hz wunschfrequenz)
dU = ? (hier habe ich 0,1 V angesetzt, um möglichst geringe Schwankungen 
zu haben. Dies führt zu dem ominösen Wert von 18.000 uF)


> Zum Stützen verwendet man selten mehr als 1000µF. Eher 100µF oder noch
> weniger.

Ich habe hier einen Aluminium Elko mit 470 uF liegen 
(Spannungsfestigkeit 25 V dc). Kann ich den zum Stützen verwenden, oder 
sollte ich lieber auf einen Keramik Kondensator zurückgreifen? Ich habe 
gelesen, das Elkos ungeeignet sein können, da sie ihre Ladung nur 
langsam abgeben bzw. aufnehmen können (bei hohen Schaltfrequenzen).

[Falk B. (falk)]

@  Niko Unknown (niko88)
>daher auf diesen Wert... Nur zum Verständnis, wie berechnet man denn den
>nötigen Stützkondensator, wenn die Batterie während dem Betrieb nicht
>abgeklemmt wird?

Das wird deutlich schwieriger, dann dazu muss man den Innenwiderstand 
und ggf. die parasitäre Induktivität der Spannungsquelle kennen.

>Ich habe hier einen Aluminium Elko mit 470 uF liegen
>(Spannungsfestigkeit 25 V dc). Kann ich den zum Stützen verwenden,

Ja.

>gelesen, das Elkos ungeeignet sein können, da sie ihre Ladung nur
>langsam abgeben bzw. aufnehmen können (bei hohen Schaltfrequenzen).

Ja, bei HOHEN, Schaltfrequenzen! Darüber kannst du dir ab 100kHz++ 
Gedanken machen, nicht bei lausigen 500Hz PWM.

[Niko U. (Gast)]

Super, danke für die Hilfe soweit :) Ich gebe nochmal Rückmeldung über 
den weiteren Verlauf :)

[Niko U. (Gast)]

eProfi schrieb:
>  - eine mit purer PWM angesteuerte LED immer einen schlechten
>    Wirkungsgrad hat (kleiner Stromflusswinkel).

Kann mir zu dem Stromflusswinkel jemand etwas genaueres sagen? Wieso 
wirkt sich das bei einer via PWM angesteuerten LED negativ aus?

[Niko U. (Gast)]

Nochmal eine kurze Rückmeldung für alle, soweit funktioniert der Aufbau 
einwandfrei. Es ist natürlich nicht die optimale Umsetzung, aber es tut 
das geforderte.

Auf dem Ossi war bei höheren Frequenzen zu beobachten, dass sich der 
Stützkondensator nicht mehr vollständig entlädt und somit die anliegende 
PWM Spannung nicht mehr auf 0 V abfällt. Das war jetzt für meinen Zweck 
im grünen Bereich, da die Durchflussspannung der LED nicht erreicht 
wird, könnte aber bei wesentlich höheren Frequenzen problematisch 
werden.
Als Lösung hierfür könnte man einen weiteren Transistor einbinden, 
welcher den Stützkondensator kontrolliert in der "Aus"-Phase entlädt.

danke nochmal an alle Helfenden :) Hat mir ungemein geholfen :)