PWM gesteuerte Konstantstromquelle mit Step-Up Regler

[Markus B. (besser)]

Grüß euch!

Ich habe folgende Aufgabenstellung: Entstehen soll eine Platine die mit 
6xPWM- Eingang , 1x 3,3V- Eingang, 1x ca.12V- Eingang und GND bedrahtet 
wird.

Auf dieser Platine befinden sich 30 Leds in 6 verschiedenen Farben in 
Reihenschaltung. Jeder "Farbstrang" kann unabhängig von den anderen per 
PWM gedimmt werden. Die Platinen sollen stapelbar sein. Sprich mehrere 
(zb.10) Platinen sollen parallel angeklemmt werden können ohne dass sie 
sich gegenseitig beeinflussen. Die PWMs und die 3,3V kommen von einem 
Arduino Nano und die 12v von einem PC-Netzteil.

Meine Idee war jetzt pro "Farbstrang" eine Konstantstromquelle aus OPV 
und Mosfet aufzubauen und die  Platine mit einem Step-Up Regler auf 
MC34063-Basis zu betreiben, da ich ja für zb 5 blaue Leds 3,5x5=17,5V 
benötige. Dann braucht die KSQ auch noch vlt 2-3V damit wäre man bei gut 
und gerne 24V.

Als Schaltung für den StepUp hätte ich die aus dem MC34063 Datenblatt 
genommen... und als Schaltung für die KSQ hätte ich die 
Beispielschaltung vom Forum genommen.

Jetzt bin ich mir aber nicht ganz sicher im Bezug auf die Bauteile. Im 
Mosfet der KSQ sollten nie mehr als 20-30 mA fliessen. Das macht aber 
bei 20V schon 0,6W bei 28V schon 0,84W. Das wäre genau die Grenze für de 
BS170 den ich aus Platzgründen (To92 Gehäuse) nehmen wollte. Als OPV 
hätte ich ob der vielen Kanäle 3x 2fach Opv Type LM 358 oÄ. genommen. Da 
die ja alle auf der gleichen Versorgung hängen hab ich die Befürchtung 
dass die sich gegenseitig beeinflussen. Kann man da zwischen den 
einzelnen Chips noch schaltungstechnisch eine Vorkehrung treffen damit 
das reduziert wird?

Habt ihr bessere Bauteil oder Schaltungsvorschläge?

[Dieter (Gast)]

Wie waere es fuer jeden Strang einen eigenen Aufwaertswandler zu nehmen, 
der als KSQ auch wirkt. Der an aus Eingang wird PWM gesteuert.
Das haette einen besseren Wirkungsgrad.

[Markus B. (besser)]

Dieter schrieb:
> Wie waere es fuer jeden Strang einen eigenen Aufwaertswandler zu nehmen,
> der als KSQ auch wirkt. Der an aus Eingang wird PWM gesteuert.
> Das haette einen besseren Wirkungsgrad.

Aber dann würde der Strang sozusagen dauernd an und aus geschaltet 
werden oder? Diese Variante der Helligkeitsregelung fällt leider 
aufgrund der Anwendung aus. Daher muss ich die Helligkeit über die 
Stromstärke regeln, ausser das ist überhaupt nicht machbar, dann bleibt 
mir ja nix anderes übrig.

[Dieter (Gast)]

In der Regel wird die Helligkeit über das Tastverhältnis der PWM 
gesteuert und dabei auch gleichzeitig ob diese überhaupt an und aus sein 
soll.

Es kommt dabei auch darauf an, welche Frequenz die PWM haben soll. Damit 
nichts flimmert, sollte die Frequenz nicht unter 100Hz liegen. Sollen 
die LED mit 50KHz getaktet werden, dann muß die Vereinfachung noch 
modifiziert werden.

Allerdings kann bei solchen Schaltvorgängen die Spule auch ganz leise 
mit der Taktfrequenz pfeifen. Für das Schlafzimmer also auch unter 
Umständen nicht ideal. Hier müßte die PWM irgendwo zwichen 20...30kHz 
liegen und der DC-Wandler mit mindestens 300...500kHz Taktrate arbeiten.

Oder man trennt das, so wie Du es bei Deiner Schaltung machst. Die 
Ansteuerschaltung des MOS sollte noch Schutzwiderstände in Richtung zum 
Arduino enthalten. Der OP muss für den notwendigen Hub mit 12V 
beaufschlagt werden. Es gibt auch bessere MOSFet im Durchlasswiderstand, 
so dass die Verlustleistung keine Herausforderung mehr darstellt.

Die Verlustleistung am MOSFET ist übrigens 28V minus die minimale 
Durchlassspannung der LEDs (bei rot 6x1,6V, blau 6x2,45V) wenn dieser 
nicht als PWM sondern als gesteuerter Widerstand betrieben wird.

[Peter M. (r2d3)]

Hallo Markus!

Markus B. schrieb:
> Aber dann würde der Strang sozusagen dauernd an und aus geschaltet
> werden oder? Diese Variante der Helligkeitsregelung fällt leider
> aufgrund der Anwendung aus. Daher muss ich die Helligkeit über die
> Stromstärke regeln, ausser das ist überhaupt nicht machbar, dann bleibt
> mir ja nix anderes übrig.

==> auf keinen Fall PWM!!!

Markus B. schrieb:
> Grüß euch!
>
> Ich habe folgende Aufgabenstellung: Entstehen soll eine Platine die mit
> 6xPWM- Eingang , 1x 3,3V- Eingang, 1x ca.12V- Eingang und GND bedrahtet
> wird.
>
> Auf dieser Platine befinden sich 30 Leds in 6 verschiedenen Farben in
> Reihenschaltung. Jeder "Farbstrang" kann unabhängig von den anderen per
> PWM gedimmt werden.


==> auf jeden Fall PWM!!!

Ich verstehe Dich nicht. Kann es sein, dass Du Dir selbst widersprichst?

[Dieter (Gast)]

Hallo Peter, bei Markus geht die PWM auf den OP, der als Tiefpass 
geschaltet ist und somit das Signal umwandelt für eine 
Widerstandssteuerung des MOSFet.

[Peter M. (r2d3)]

Dieter schrieb:
> Hallo Peter, bei Markus geht die PWM auf den OP, der als Tiefpass
> geschaltet ist und somit das Signal umwandelt für eine
> Widerstandssteuerung des MOSFet.

Danke Dieter,

hatte nur den Text gelesen, mea culpa!
Ich Hirni.

[Dieter (Gast)]

Ist mir auch schon passiert. Es ist auch vollkommen ok, für 
unentgeldlich in der Freizeit, nicht alles so exakt und konzentriert 
durchzugehen, wie in der Arbeit oder im Dienst.

Von Seiten des TO ist nicht mitgeteilt worden, wie schnell die 
Helligkeit maximal verändert werden soll.

[Dieter (Gast)]

Fast übetsehen, gegenseitige Beeinflussung bei dem Design liegt vor, um 
diese Frage zur Parallelschaltung zu ergaenzen, wenn die Strombegrenzung 
des DCDC Wandlers greift. Im Kennlinienbereich konstannter Spannung ist 
es unabhaengig.

[Falk B. (falk)]

@ Markus B. (besser)

>Meine Idee war jetzt pro "Farbstrang" eine Konstantstromquelle aus OPV
>und Mosfet aufzubauen und die  Platine mit einem Step-Up Regler auf
>MC34063-Basis zu betreiben, da ich ja für zb 5 blaue Leds 3,5x5=17,5V
>benötige. Dann braucht die KSQ auch noch vlt 2-3V damit wäre man bei gut
>und gerne 24V.

Klingt OK.

>Als Schaltung für den StepUp hätte ich die aus dem MC34063 Datenblatt
>genommen... und als Schaltung für die KSQ hätte ich die
>Beispielschaltung vom Forum genommen.

Auch OK.

>Jetzt bin ich mir aber nicht ganz sicher im Bezug auf die Bauteile. Im
>Mosfet der KSQ sollten nie mehr als 20-30 mA fliessen. Das macht aber
>bei 20V schon 0,6W bei 28V schon 0,84W. Das wäre genau die Grenze für de
>BS170 den ich aus Platzgründen (To92 Gehäuse) nehmen wollte.

Nö, denn die meistes Spannung fällt ja über den LEDs ab und nicht über 
dem MOSFET. Also ist die Verlustleistung DEUTLICH geringer.

> Als OPV
>hätte ich ob der vielen Kanäle 3x 2fach Opv Type LM 358 oÄ. genommen.

Nennt sich LM324. Ist OK.

> Da
>die ja alle auf der gleichen Versorgung hängen hab ich die Befürchtung
>dass die sich gegenseitig beeinflussen.

Nö.

>Kann man da zwischen den
>einzelnen Chips noch schaltungstechnisch eine Vorkehrung treffen damit
>das reduziert wird?

Wenn ausreichend Entkoppelkondensatoren vorhanden sind, ist das kein 
Problem. Ich sag mal 10-47uF pro Strang reichen locker.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Kondensator#Entkoppelkondensator

>Habt ihr bessere Bauteil oder Schaltungsvorschläge?

>> Wie waere es fuer jeden Strang einen eigenen Aufwaertswandler zu nehmen,
>> der als KSQ auch wirkt. Der an aus Eingang wird PWM gesteuert.
>> Das haette einen besseren Wirkungsgrad.

>Aber dann würde der Strang sozusagen dauernd an und aus geschaltet
>werden oder?

Sicher, das ist das Grundprinzip von PWM. Bei ausreichend hoher 
Frequenz flimmert da auch nichts mehr.

> Diese Variante der Helligkeitsregelung fällt leider
>aufgrund der Anwendung aus.

Was ist es denn für eine Anwendung?

> Daher muss ich die Helligkeit über die
>Stromstärke regeln,

Dann mußt du die PWM vom Arduino per RC-Filter in eine Gleichspannung 
umwandeln und erst damit (+Spannungsteiler) deine linearen 
Konstantstromquellen ansteuern.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Pulsweitenmodulation#DA-Wandlung_mit_PWM

[Markus B. (besser)]

Falk B. schrieb:

>>Jetzt bin ich mir aber nicht ganz sicher im Bezug auf die Bauteile. Im
>>Mosfet der KSQ sollten nie mehr als 20-30 mA fliessen. Das macht aber
>>bei 20V schon 0,6W bei 28V schon 0,84W. Das wäre genau die Grenze für de
>>BS170 den ich aus Platzgründen (To92 Gehäuse) nehmen wollte.
>
> Nö, denn die meistes Spannung fällt ja über den LEDs ab und nicht über
> dem MOSFET. Also ist die Verlustleistung DEUTLICH geringer.

Klass! Dann brauch ich nicht mehr weiter suchen.


>
>> Als OPV
>>hätte ich ob der vielen Kanäle 3x 2fach Opv Type LM 358 oÄ. genommen.
>
> Nennt sich LM324. Ist OK.

Der LM 324 ist doch ein 4 fach OPV Chip oder? leider gibts keine 6 fach 
OPV  Chips und da ich möglichst wenig Platz verbrauchen will dachte ich 
mir, ich nehme 3x 2fach OPV chips... aber egal ich denke da gehts nur um 
die Bauteildimensionen, den Job erledigen wohl alle.

>
>> Da
>>die ja alle auf der gleichen Versorgung hängen hab ich die Befürchtung
>>dass die sich gegenseitig beeinflussen.
>
> Nö.

Gut zu wissen. Rhetorikfrage: kann man für 95% der Anwendungen annehmen 
dass die OPVs sich nicht gegenseitig beeinflussen?
>
>>Kann man da zwischen den
>>einzelnen Chips noch schaltungstechnisch eine Vorkehrung treffen damit
>>das reduziert wird?
>
> Wenn ausreichend Entkoppelkondensatoren vorhanden sind, ist das kein
> Problem. Ich sag mal 10-47uF pro Strang reichen locker.

Äh, 47µ Elko zwischen VCC und GND pro Chip oder pro Ausgang? Ist das 
nicht ein bisschen groß für Entkoppler? Die sind doch normal so 0,1µ 
oder verwechsle ich jetzt was?


>
> https://www.mikrocontroller.net/articles/Kondensator#Entkoppelkondensator
>
>>Habt ihr bessere Bauteil oder Schaltungsvorschläge?
>
>>> Wie waere es fuer jeden Strang einen eigenen Aufwaertswandler zu nehmen,
>>> der als KSQ auch wirkt. Der an aus Eingang wird PWM gesteuert.
>>> Das haette einen besseren Wirkungsgrad.
>
>>Aber dann würde der Strang sozusagen dauernd an und aus geschaltet
>>werden oder?
>
> Sicher, das ist das Grundprinzip von PWM. Bei ausreichend hoher
> Frequenz flimmert da auch nichts mehr.
>
>> Diese Variante der Helligkeitsregelung fällt leider
>>aufgrund der Anwendung aus.
>
> Was ist es denn für eine Anwendung?

Tierterrarium, und da sollte es nicht flackern, so will es zumindest 
meine bessere Hälfte und deswegen kriegt sie das auch, solange es nicht 
unmöglich ist. Das spart nerven... Deswegen will ich ja auch nicht den 
ganzen Strang aufs PWM legen sondern mit dem PWM Signal die Stromstärke 
der KSQ regeln.


Btw... Wenn ich mir grade so die Schaltung ansehe, fällt mir auf dass 
wenn ich den Mosfet als "einstellbaren Widerstand" verwende, müsste ich 
ihn dann ja direkt bei der KSQ drann bauen, als ersatz für den 
Widerstand der bei der KSQ die Stromstärke festlegt... Also in der 
Schaltung vom MC34063 wäre das der R1 (2k2), sehe ich das richtig?

Ich hab jetzt noch die Schaltung aus dem KSQ -thread rangehängt... der 
Mosfet ersetzt mir den RX Widerstand... Wenn jetzt der Strom mit 30mA 
begrenzt sein soll dann darf der Mosfet bei 100%PWM Tastrate nur einen 
Widerstand simulieren der ca. 42 Ohm beträgt. je weiter die Tastrate 
abnimmt, desto größer muss der Widerstand werden.

Ich glaube ich küble diesen ersten Entwurf noch mal, mach das neu und 
dann präsentiere ich sie nochmal...

[Dieter (Gast)]

Damit Tiere nichts sehen und vor allem nichts hören, hat der 
elektronische Halogentrafo 50kHz/100Hz.

Wenn das Ding nicht die Regelgeschwindigkeit einer Lichtorgel benötigt, 
dann geht das mit der PWM durch schalten des Wandlers an/aus-Pin.

So kann man eine PWM durch die LED glätten, siehe Schaltskizze.

[Markus B. (besser)]

Sodala...

Habe jetzt versucht die zwei Schaltungen so zu verheiraten dass ich 
folgendes erreiche: Der MC34063 wird als KSQ betrieben bei der ich über 
den Mosfet im Linearbetrieb die Stromstärke regulieren kann... zwischen 
1mA und 30mA.

Soweit die Idee, die brennende Frage ist, funktioniert das überhaupt so?

Da der Bs170 einen Rdson von 1,2Ohm (Vgs=10V) hat werde ich wohl einen 
Zusatzwiderstand (R7) brauchen um den Mindestwiderstand von ca. 42 Ohm 
bereit zustellen dass die KSQ nie mehr als 30mA liefert. Den restlichen 
Widerstand trägt der MFet, das blöde ist nur dass die Kennlinien (hab 
alle angehängt) bei Vgs=4V aufhören.

Ich meine, theoretisch gesprochen, müsste es doch funktionieren, den 
MFet soweit abzuwürgen dass ich damit den Gesamtwiderstand zwischen 42 
und 1k25 Ohm per PWM einstellen kann. Da ich aber keine Kennlinien für 
den Bereich gefunden habe, kann ich das wohl nur durch ausprobieren 
feststellen oder liege ich da falsch?

Das Thema MFet im Linearbetrieb ist leider komplettes Neuland für mich, 
ich mein ich versteh wies funktioniert, aber gebastelt hab ich sowas 
noch nie. Da stehe ich halt ziemlich auf der Seife...

[Falk B. (falk)]

@ Markus B. (besser)

>Gut zu wissen. Rhetorikfrage: kann man für 95% der Anwendungen annehmen
>dass die OPVs sich nicht gegenseitig beeinflussen?

Ja.


>> Wenn ausreichend Entkoppelkondensatoren vorhanden sind, ist das kein
>> Problem. Ich sag mal 10-47uF pro Strang reichen locker.

>Äh, 47µ Elko zwischen VCC und GND pro Chip oder pro Ausgang?

Pro Ausgang.

> Ist das
>nicht ein bisschen groß für Entkoppler?

Nö.

> Die sind doch normal so 0,1µ
>oder verwechsle ich jetzt was?

Ja. Siehe meinen Link. Die 100nF sind für Digital-ICs im MHz-Bereich.

>Tierterrarium, und da sollte es nicht flackern, so will es zumindest
>meine bessere Hälfte und deswegen kriegt sie das auch, solange es nicht
>unmöglich ist. Das spart nerven...

;-)


>Btw... Wenn ich mir grade so die Schaltung ansehe, fällt mir auf dass
>wenn ich den Mosfet als "einstellbaren Widerstand" verwende, müsste ich
>ihn dann ja direkt bei der KSQ drann bauen, als ersatz für den
>Widerstand der bei der KSQ die Stromstärke festlegt...

NEIN!

> Also in der
>Schaltung vom MC34063 wäre das der R1 (2k2), sehe ich das richtig?

Nein.

>Ich hab jetzt noch die Schaltung aus dem KSQ -thread rangehängt... der
>Mosfet ersetzt mir den RX Widerstand... Wenn jetzt der Strom mit 30mA
>begrenzt sein soll dann darf der Mosfet bei 100%PWM Tastrate nur einen
>Widerstand simulieren der ca. 42 Ohm beträgt. je weiter die Tastrate
>abnimmt, desto größer muss der Widerstand werden.

Das funktioniert so nicht. Laß es und bau deine 1. Version. Ich würde 
sogar den Step-Up weglassen und einfach doppelt soviele Stränge an 12V 
bauen. Fertig.

[Falk B. (falk)]

@Markus B. (besser)

>Habe jetzt versucht die zwei Schaltungen so zu verheiraten

FAIL!!!

>folgendes erreiche: Der MC34063 wird als KSQ betrieben bei der ich über
>den Mosfet im Linearbetrieb die Stromstärke regulieren kann... zwischen
>1mA und 30mA.

Typisch deutsch! So kompliziert und aufwändig wie nur möglich! 8-(

>noch nie. Da stehe ich halt ziemlich auf der Seife...

Eben darum baut man das nach, was einfach und schon fertig ist.

[Markus B. (besser)]

Falk B. schrieb:
> Das funktioniert so nicht. Laß es und bau deine 1. Version. Ich würde
> sogar den Step-Up weglassen und einfach doppelt soviele Stränge an 12V
> bauen. Fertig.

Ok, also nur die KSQ-Schaltung vom Eingangspost und dann an jeden Strang 
halt 3 LEDs... dann geht sich das auch mit 12V aus und fertig...

Nur um das Thema für mich zu vervollständigen,

Wie müsste man das angehen wenn ich eine KSQ haben will, bei der ich die 
Stromstärke regeln kann? Das muss doch auch irgendwie gehen, oder?

[Falk B. (falk)]

@ Markus B. (besser)

>Wie müsste man das angehen wenn ich eine KSQ haben will, bei der ich die
>Stromstärke regeln kann? Das muss doch auch irgendwie gehen, oder?

Klar geht das, man nehme einen AKTUELLEN IC, der kann das direkt. Da 
muss man auch nicht wild rumbasteln. Es gibt da diverse ICs, die man 
sowohl mit PWM als auch im Linearbetrieb betreiben kann, z.B. der

http://www.ti.com/product/tps54201

http://www.ti.com/power-management/led-drivers/general-lighting-led-drivers/overview.html