Strom regeln (Lautstärke, LED-Helligkeit)

[Mike C. (bigmike0488)]

Hallo Leute,

Mit dieser Schaltung kann ich die Lautstärke von einem 
Piezo/Lautsprecher, sowie die LED-Helligkeit regeln, mit PWM an Pin 9, 
analogWrite(), die Frequenz des Piezo an Pin 6 mit tone().
Ich verstehe wie man allgemein wie Ausgangsspannung an einem Tiefpass 
berechnet. Wie wird das bei PWM berechnet, wenn sich anstatt der 
Frequenz das Duty Cycle ändert? Diese Schaltung wurde in einem anderen 
Forum zur Lautstärke-Regelung eines Piezo vorgeschlagen, leider ohne 
Berechnungen.

Kann mir jemand erklären wie sich der Basisstrom und somit der 
Kollektorstrom berechnet?

LG Mike

[c-hater (Gast)]

Mike C. schrieb:

> Mit dieser Schaltung kann ich die Lautstärke von einem
> Piezo/Lautsprecher, sowie die LED-Helligkeit regeln, mit PWM an Pin 9,
> analogWrite(), die Frequenz des Piezo an Pin 6 mit tone().

Typischer Arduino-Schwachsinn.

Wenn man einen PWM-Ausgang hat, kann man allein darüber Frequenz und 
Duty einstellen. Es besteht also keinerlei Notwendigkeit, unzählige 
Bauelemente und einen zweiten Pin zu benutzen.

Man muss einfach nur richtig programmieren lernen und das Datenblatt 
lesen.

[Ach Du grüne Neune (Gast)]

Damit diese Schaltung ihre maximale Wirkung erzeugt, sollte der N-Mosfet 
mit seinem Source-Anschluss direkt an GND angeschlossen werden und der 
Piezo LS sollte dann zwischen Drain und Emitter eingebaut werden. Der 
Kollektor vom Transistor ist dann an +5V angeschlossen.

[Ach Du grüne Neune (Gast)]

Mike C. schrieb:
> Wie wird das bei PWM berechnet, wenn sich anstatt der Frequenz das Duty
> Cycle ändert?

Die Pulsweite in Prozent stimmt mit der Ausgangsspannung in Prozent 
überein. Wobei 100% eine Ausgangsspannung von 4,3 Volt ergibt (5V - 0,7V 
= 4,3V).

[Voyager 2 (Gast)]

Ich sehe nichts, was da geregelt wird.

[Axel R. (axlr)]

Ach Du grüne Neune schrieb:
> Damit diese Schaltung ihre maximale Wirkung erzeugt, sollte der N-Mosfet
> mit seinem Source-Anschluss direkt an GND angeschlossen werden und der
> Piezo LS sollte dann zwischen Drain und Emitter eingebaut werden. Der
> Kollektor vom Transistor ist dann an +5V angeschlossen.

genau: PWM-Tiefpass auf die Basis, Kollektor an Plus. Emitter bildet die 
Betriebsspannung für den Piezo. Sein "plus" kommt da drann. Der "minus" 
vom Piezo geht dann an den Drain vom FET, Source kommt an Masse und das 
Gate an PIN6.
Wenn man das überhautpt so machen "muss", Weil man es nirgend anders 
findet und kopieren kann. Mann kann ja wohl auch die PWM entsprechend 
modulieren, das der gewünschte Ton in der gewünschten Lautstärke 
rauskommt. Spart den Tiefpass, den zweiten Transistor und den zweiten 
Portpin. Übrig bleibt der FET.und natürlich der Piezo ;)

[Axel R. (axlr)]

Ach Du grüne Neune schrieb:
> Mike C. schrieb:
>> Wie wird das bei PWM berechnet, wenn sich anstatt der Frequenz das Duty
>> Cycle ändert?
>
> Die Pulsweite in Prozent stimmt mit der Ausgangsspannung in Prozent
> überein. Wobei 100% eine Ausgangsspannung von 4,3 Volt ergibt (5V - 0,7V
> = 4,3V).

bei Kollektorschaltung. So wie das hier gezeichnet ist, stuert der NPN 
ja schon bei 0,6V-0,8V voll durch. Der "regelbereich" (Steuerbereich) 
ist also hier eher auf einen kleinen Bereich seiner PWM begrenzt.
Anderesserseits hebt es auch das Source-Potenzial vom FET an, dieser 
wird dann wohl auch eher im linearen Bereich irgendwo den Piezo steuern.
Schwurbelich, oder? Leute kommen auf Ideen ...

[Elliot (Gast)]

Axel R. schrieb:
> Schwurbelich, oder?

Du meinst die bisher abgegebenen "Erklärungen"? Ja, da gebe ich dir 
recht.

Wenn man, wie hier mehrfach angemahnt, den Piezo einfach nur mit PWM 
steuert, dann ändert man nicht nur Lautstärke und Frequenz, sondern auch 
den Klang, also das Spektrum der erzeugten Töne, gravierend. Das 
angehängte Bild illustriert das mal für 1kHz, und 10% und 50% 
Tastverhältnis. Die über PWM eingestellte Lautstärke ändert immer auch 
die spektrale Zusammensetzung, also auch den Klang.

Die oben gezeigte Schaltung dagegen stellt über Pin9 mittels gefilterter 
PWM und Stromsteuerung des npn-Transistors den Strom durch den Piezo ein 
und über Pin6 und den Mosfet die Frequenz. So kann man bei 
gleichbleibendem Klang die Lautstärke bei beliebigen Frequenzen 
einstellen.

[Elliot (Gast)]

Mike C. schrieb:
> Wie wird das bei PWM berechnet, wenn sich anstatt der
> Frequenz das Duty Cycle ändert?
>
> Kann mir jemand erklären wie sich der Basisstrom und somit der
> Kollektorstrom berechnet?

Die exakte Rechnung ist aufwendig und führt auf eine nichtlineare 
Gleichung. Vereinfachend kann man sich das so vorstellen:

Die PWM wird durch das Tiefpassfilter 5k/100µ gemittelt, so daß sich am 
Knoten 5k/100µ/5k eine Gleichspannung Uk einstellt, die dem 
arithmetischen Mittelwert der PWM entspricht. Diese Spannung treibt über 
den rechten 5k einen Basisstrom von (Uk-Ube)/5k in den Transistor. Der 
Kollektorstrom ist um den Faktor B größer.

Allerdings ist die Schaltung nicht gut dimensioniert. Die rechten 5k 
sind zu klein und belasten den Knotenpunkt Uk merklich, so daß die 
Spannung dort nicht gut dem arithmetischen Mittelwert der PWM 
entspricht. Je größer man den rechten 5k macht, umso genauer gilt die 
oben angegebene Erklärung/Rechnung. Ich würde so 22k oder etwas mehr 
einsetzen. Damit kommt man auf bis zu ~150µA Basisstrom und 60mA 
Kollektorstrom bei B=400.

[Ach Du grüne Neune (Gast)]

Elliot schrieb:
> Je größer man den rechten 5k macht, umso genauer gilt die oben
> angegebene Erklärung/Rechnung. Ich würde so 22k oder etwas mehr
> einsetzen.

Man kann bei dieser Schaltung den rechten 5k vor der Basis auch ganz 
weglassen, da die Kollektorschaltung werkseitig schon einen hohen 
Eingangswiderstand hat.
Man verzichtet allerdings auf etwas Lautstärke. Dafür lässt sich die 
Lautstärke jetzt feinfühliger und stabiler von 10% bis 100% PWM 
einstellen. Die Lautstärke hängt jetzt auch nicht mehr von der 
Umgebungstemperatur ab.
Alle beliebige hörbare Frequenzen können jetzt vernünftig mit 50% PWM 
über das Gate auf den N-Mosfet gegeben werden.

Für das Dimmen einer LED kann er entfallen.