PWM-Led-Dimmer

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PWM-Led-Dimmer (vorabversion)
SEL - Studenten Elektronik Labor∗
6. Oktober 2009
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Kurzbeschreibung Pulsweitenmodulation - Pulsewidthmodulation . . . . . . . . . . . .
1.2. Alternative Anwendungsmöglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2. Projektplanung - PWM-LED-Dimmer (Projekt 081215)
2.1. Schaltungsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1. PWM-Ansteuerung . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2. Leistungstreiber . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3. LED-Leiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Dimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1. Bauteilwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2. Stromverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Kostenübersicht der Baugruppen . . . . . . . . . . .
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3. Testen und Inbetriebnahme
3.1. Prüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Kalibrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Zusammenbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4. Technische Daten
6
Anhang
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A. Schaltplan
A.1. Ansteuerung & Treiberstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2. LED-Leiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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B. Layout/Bestückung
B.1. Ansteuerung & Treiberstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.2. LED-Leiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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C. PSpice Plot PWM-Ansteuerung
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SEL : Studentenlabor des Fachbereichs Elektrotechnik und Informatik der FH-Münster Abteilung Steinfurt
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1. Einleitung
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1. Einleitung
1.1. Kurzbeschreibung Pulsweitenmodulation - Pulsewidthmodulation
Abb 1.1.: Schema PWM
PWM, Pulsewidthmodulation oder auch Pulsweitenmodulation ist ein Modulationsverfahren, mit
dem digital über die Modulation der Schaltzeiten analoge Signale erzeugt werden. So bestimmt das
Verhältnis von a ∈ [0...1] ∈ R das Verhältnis von UE zu UA ⇒ UA = aUE . Die Pulsweitenmodulation
wird wie hier zum Dimmen von Leuchtmitteln, jedoch vorwiegend in Schaltnetzteilen eingesetzt. So
wird in der Lichttechnik der optische Nachleucht-Effekt von LEDs ausgenutzt. Diese können kurzzeitig
mit einem Strom betrieben werden, der bis zum fünffachen des Nennstroms betragen kann, was jedoch
nur bei a ≤ 0,2 mit einer Taktung von 5...30kHz geschieht(Längere Zeiten würde zu einer Überhitzung und damit zur Zerstörung führen). So kann das Auge dies jedoch nicht erkennen, da es nur
Bildänderungen . 12.5Hz wahrnimmt. Hier ist es jedoch angedacht die LEDs nicht mit Überstrom
zu versorgen, sondern nahezu linear von 0...100% die Lichtleistung dimmen zu können, ohne farbliche
Abweichungen zu erhalten, wie es bei einem Dimmen mit variablen Vorwiderstand der Fall wäre. Ein
solches Verfahren wird auch in den oberen Klassen im Automotiv-Bereich angewandt um Farbtreue
auch bei gedimmten Licht zu gewährleisten.
1.2. Alternative Anwendungsmöglichkeit
Ein Anwendungsmöglichkeit ergibt sich zum Beispiel aus der adaptiven Farbmischung von Rot, Grün
und Blau mit jeweils einem Element für jede Farbe, wo so eine angestrahlte Fläche, optional auch das
innere einer Lampe mit mattem Schirm oder ähnliches, in jeder gewünschten Farbe beleuchtet werden
kann. Die Farbe kann dann über drei Regler, also einem Regler für jeden der drei Farbbestandteile,
eingestellt werden. Eventuell ist noch notwendig, je nach Aufbau, ein Art Diffusor1 , der die saubere
Vermischung der Farben gewährleistet. Die Summe aller Farben in der richigen Helligkeit sollte dann
Weiss ergeben.
2. Projektplanung - PWM-LED-Dimmer (Projekt 081215)
2.1. Schaltungsplanung
Das Gesamtprojekt ist in drei Kleinbereiche unterteilt.
• PWM-Ansteuerung
• Leistungstreiber
• LED-Leiste
2.1.1. PWM-Ansteuerung
Die PWM-Ansteuerung besteht aus zwei einfachen Hauptkomponenten die je mit einem NE555 und
ein wenig äußerer Beschaltung realisiert sind. Das eine ist das Zeitglied welches fest eingestellt ist. Die
1
Ein Diffusor streut das Licht, wodurch der geringe Winkel der Linsen der LEDs aufgehoben wird
2. Projektplanung - PWM-LED-Dimmer (Projekt 081215)
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a
?
- Zeitschalter(t)
Taktgeber
- s
Abb 2.1.: Schematischer Aufbau - PWM-Ansterung
Frequenz des astabilen Multivibrators errechnet sich aus der Standard-Formel(1). Diese ist auch im
Datenblatt zu finden ist. Konkret heisst das für diese Schaltung folgendes:
T = 0,69(R1 + 2R2 )C
(1)
T = 0,69(100k + 2k)2,2nF
(2)
T = 153,318µs = f
−1
(3)
f ≈ 6,52kHz
(4)
Zudem lässt sich noch das feste Verhältnis aIC1 von tein zu taus berechnen. Dies ist jedoch hier weniger
von belangen. Genaueres ist auch im Datenblatt des Herstellers nachzulesen. Das Taktverhältnis ist
zudem auch in dem Plot aus PSpice2 als V (X1 : OU T P U T ) mit U (t) dargestellt. Weiter ist in diesem
Plot noch die Ladespannung des Kondensators V (X1 : DISCHARGE) mit U (t) zu sehen.
Die zweite Hauptkomponente ist eine monostabile Kippstufe. Diese wird über den Zeitgeber a, wie in
der Darstellung zu sehen ist, beeinflusst. So entsteht ein Schaltsignal s, das einen Leistungstreiber oder
ähnliches schalten kann. Der Gleichrichtwert der Schaltspannung Ugleich ergibt sich so recht einfach
mit Ue : Eingangsspannung, a : Schaltfaktor und T : Periodendauer mit a ∈ (0...1) ∈ R.
Z T
Z aT
0 da
Ue da +
Ugleich =
(5)
aT
0
Ugleich = aUe
(6)
So werden aus 5V bei a = 0,5 Ugleich = aUe = 2,5.
Wie bei dieser Schaltung nun der Faktor a von dem Spannungsteiler aus R3 und dem an JP 1
angeschlossenen Trimmer abhängt, ist in dem Plot aus PSpice als V (X2 : OU T P U T ) mit U (t) dargestellt. Zudem ist die linear ansteigende Spannung V (X2 : CON T ROL) mit U (t) die Spannung des
Spannungsteilers. So kann man nun auch V (X2 : OU T P U T ) als f (V (X2 : CON T ROL)) beschreiben.
Ugleich = aUe
(7)
Ugleich = f (V (X1 : DISCHARGE), V (X2 : CON T ROL))
(8)
2.1.2. Leistungstreiber
UB
?
- Leistungstreiber
s
- SP
Abb 2.2.: Schematischer Aufbau - Leistungstreiber
Der Leistungstreiber besteht in dieser Version nur aus einem BUZ11A3 . Dies ist ein einfacher FETTransistor, der jedoch im Schaltbetrieb gekühlt bis zu 104A schalten kann. Wenn die PWM jedoch
2
3
PSpice 9.1 Studentenversion
Alternativ geht auch der kleinere BUZ10
2. Projektplanung - PWM-LED-Dimmer (Projekt 081215)
4
wie in diesem Projekt mehr im Bereich von a > 0,3 betrieben werden soll, ist anzuraten, dass der
Laststrom ILast auf ILast < 26A ausgelegt wird. Manchmal kann es sinnvoll sein a so klein auszulegen.
So kann man auch ID als Diodenstrom so überdimensionieren, dass bei einem a ≈ 0,1 die Lichausbeute
−1
optisch gleich ist, jedoch die verbrauchte Leistung PLast mit PLast = UB tIP−1Last < UB ILast
mit IP Last
als Pulslaststrom. Der Elko auf der Platine sollte mit ≈ 1000µF/16V je 1A dimensioniert werden,
jedoch mindestens 1000µF/16V haben. Bei Batteriebetrieb ist es besonders wichtig, den C4 groß zu
dimensionieren, um Schäden an der Batterie durch die Pulslast zu verhindern.
2.1.3. LED-Leiste
- LED-Leiste
SP
Abb 2.3.: Schematischer Aufbau - LED-Leiste
Die LED-Leiste ist eine Parallelschaltung aus vier Strängen von je drei LEDs und einem Vorwiderstand. Bei superhellen LEDs ergibt sich so eine Diodenspannung UD = Uf ≈ 1,85...4,0V 4 und daraus
−1
ein RV = (UB − 3UD )ID
. Genaueres zur Dimensionierung ist im oberen Abschnitt nachzulesen.
2.2. Dimensionierung
2.2.1. Bauteilwerte
Die Vorwahl der Widerstände erfolgte aus Erfahrungswerten. Später wurden die Widerstände mit
PSpice genauer ermittelt. Durch den Unterschied von Simulation und realem Verhalten der Baueile
kann es zu kleinen Abweichungen in der Taktfrequenz kommen, die jedoch hier nicht tragisch sind.
Die beiden NE555 sind Standard-Allroundtimer. Nähere Infos sind im Datenblatt der entsprechenden Hersteller zu finden. Der BUZ11A ist aus früheren Schaltungen übernommen worden und fungiert
hier als Schalter. Aufgrund der FET-Eigenschaft, dem leistungslosen Schalten von Spannung und
Strom, ist dieser ideal und spart daher eine Umdimensionierung, sobald eine LED-Leiste an-, oder
abgehängt wird.
2.2.2. Stromverbrauch
Der Stromverbrauch der Schaltung ist stark Lastabhängig, weshalb man den Strom der Steuerplatine
von ≈ 15mA im Vergleich von 200 − 300mA je LED-Leiste als Rauschanteil5 vernachlässigt werden.
2.3. Kostenübersicht der Baugruppen
Hier sind die Kosten der Bauteile für die Ansteuerung und den Treiber aufgelistet. Dieses Projekt
gestaltet sich mit den wenigen Bauteilen recht übersichtlich. Alle Preise6 sind von Reichelt entnommen.
Bei den LEDs ist eBay meist billiger. Die LED-Leiste ist jedoch hier nicht aufgeführt. Und auch das
Platinenmaterial fehlt, da es für Reststücke gedacht ist, weshalb das Layout modular geteilt und auf
minimale Grösse optimiert ist.
Noch fehlende Bauteile sind Kühlkörper7 , LEDs, Vorwiderstände und Platinen.
4
Farb- und Bauteilspezifischer Wert; Nachzulesen im Datenblatt, anderen Herstellerangaben
Typische Werte: Weiß : 3,5V ; Blau : 3,2V ; Rot : 1,85V ; Gelb : 2,0V ; Grün : 3,3V ; Pink : 3,5V ; Violett : 3,5V
5
Als Rauschanteil werden Grössen bezeichnet, die neben anderen kaum messbar sind oder von anderen stark überlagert
werden (Ein Vogelzwitschen neben der BAB 1 im Berufsverkehr)
6
Inklusive MwST exklusiv Porto und Verpackung
7
Kühlkörper sind nicht notwendig, wenn die Leistungsstufe im unteren Leistungsbereich des FET-Transistors gebraucht
wird
3. Testen und Inbetriebnahme
Baugruppe
Ansteuerung
Treiber
Bauteil
R1 , R4
R2
R3
C1
C2
C3
IC1,2
Q1
C4
5
Wert
100KΩ, Metall
1KΩ, Metall
Poti, liegend, 6mm, 10KΩ
2,2nF -Scheibe
1,0nF -Scheibe
100nF -Scheibe
NE555, DIL-Gehäuse
BUZ 11A, FET-Transistor
1000µF /16V, Elko, radial
Best-Nr
METALL 100K
METALL 1K
PT 6-L 10K
X7R-2,5 2,2N
X7R-2,5 1,0N
Z5U-2,5 100N
NE 555 DIP
BUZ 11A
RAD 1.000/16
Menge
2
1
1
1
1
1
2
1
1
Stückpreis
0,0820
0,0820
0,2200
0,0820
0,0820
0,0620
0,1200
0,6300
0,1900
Gesamt
0,1640
0,0820
0,2200
0,0820
0,0820
0,0620
0,2400
0,6300
0,1900
2,1500
Tabelle 2.1.: Baukosten für Ansteuerung und Treiber bei Reichelt.de
3. Testen und Inbetriebnahme
3.1. Prüfung
Vor dem ersten Betrieb sollte erst das Steuerelement einzeln überprüft werden. Es sollte zum ersten Betrieb eine Spannungsquelle mit Strombegrenzung verwendet werden, um bei Überstrom keine Bauteile
zu zerstören. Meistens äußert sich dies durch eine unnatürlich starke Erwärmung der Bauteile!!
Wenn der Ruhestrom(Steuereinheit ohne Treiber) im erwarteten Bereich von IRuhe ≤ 20mA liegt,
können alle Versorgungspins der ICs mit einem Multimeter kontrolliert werden.
M esspunktA
IC14
IC24
M esspunktB
IC18
IC28
Bezugspunkt
IC11
IC21
USoll
VCC
VCC
Tabelle 3.1.: Messwerte für die erste Prüfung
Die Bezugspunkte sind so gewählt, dass alle Versorgungsanschlüsse geprüft werden um so Fehler
ausschließen zu können. Nun kann auch das Signal an IC23 mit einem Oszilosscope geprüft werden.
Wenn sich dies nicht über den an JP 1 angeschlossenen Potentiometer verändern lässt, sollte das Signal
IC13 geprüft werden.
3.2. Kalibrierung
Wenn soweit die Schaltung funktioniert, sollte das Potentiometer an JP 1 auf Vollanschlag für Hell(grösster
Widerstandswert) gedreht werden. Nun wird der Trimmer R3 genau auf den Punkt eingestellt, wo die
Ansteuerung eine Art Übersprechen hat. So haben wir nun einen Gleichspannungstrimmer, der im
unteren Bereich nicht so sauber arbeitet wie gewünscht, aber dafür stufenlos von 0..100% reicht. Die
meisten Ansteuerungen dieser Art haben meist nur einen Teil-Bereich.
3.3. Zusammenbau
Der Zusammenbau sollte sich einfach gestalteten, da der Treiberstufe mit Abstandshülsen auf die
Ansteuerung zu verschrauben ist. Die einzelnen LED-Leisten können über die dafür vorgesehenen Anschlüsse nacheinender parallel geschaltet werden. Der Laststrom sollte jedoch nicht den Maximalstrom
überschreiten(siehe Kapitel 2.1.2). Eventuell ist je nach Belastung für Q1 ein Kühlblech vorzusehen.
4. Technische Daten
6
4. Technische Daten
Folgende Eckdaten kann man für diese Schaltung nennen:
Versorgungsspannung
Stromverbrauch Standby
Dimmbereich
Strom je LED-Leiste(RV = 75Ω)
:
:
:
:
10...14
≈20
0...100
≈200...300
Tabelle 4.1.: Technische Daten
A. Schaltplan
A.1. Ansteuerung & Treiberstufe
A.2. LED-Leiste
V
mA
%
mA
A. Schaltplan
7
Abb 1.1.: Schaltplan - PWM-Ansteuerung und Treiberstufe
A. Schaltplan
8
Abb 1.2.: Schaltplan - LED-Leiste
B. Layout/Bestückung
9
B. Layout/Bestückung
Alle Layouts bei keiner Grössenänderung im Ausdruck auf A4 direkt ätzbar!!
B.1. Ansteuerung & Treiberstufe
Abb 2.1.: Layout - PWM-Ansteuerung und Treiberstufe
Abb 2.2.: Bestückung - PWM-Ansteuerung und Treiberstufe
B.2. LED-Leiste
Abb 2.3.: Layout - LED-Leiste - Kleinserienlayout
C. PSpice Plot PWM-Ansteuerung
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Abb 2.4.: Bestückung - LED-Leiste
C. PSpice Plot PWM-Ansteuerung



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
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

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

Abb 3.1.: Simulation - PWM-Ansteuerung


