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Aug 11, 2023

Steuern Sie Ihre LED

In einem früheren Artikel habe ich LEDs im Allgemeinen und ihre Eigenschaften besprochen. In diesem

In einem früheren Artikel habe ich LEDs im Allgemeinen und ihre Eigenschaften besprochen. In diesem Artikel möchte ich einige Beispiele für die Ansteuerung von LEDs geben und einige der am häufigsten verwendeten Methoden vergleichen. Es gibt keine „Einheitsgröße“, aber ich werde versuchen, so viel wie möglich zu verallgemeinern. Die Idee besteht darin, die Helligkeit der LEDs effektiv steuern und dabei ihre Lebensdauer verlängern zu können. Ein effizienter Fahrer kann den entscheidenden Unterschied machen, wenn Sie ihn langfristig einsetzen möchten. Schauen wir uns das Problem an und besprechen dann die Lösungen.

Die meisten Neulinge werden daran interessiert sein, eine LED zum Leuchten zu bringen, ohne sie in die Luft zu jagen. Etwas später kommt es auf die Helligkeitssteuerung und das anschließende Mischen der Farben an, um mit dem Farbwähler einen beliebigen Farbton zu erzeugen. In jedem Fall ist es wichtig, die Endanwendung genau zu verstehen. Eine Beleuchtungsanwendung wie eine Werkbankleuchte erfordert selten eine romantische Stimmungslichtsteuerung. Im Gegensatz dazu erfordert eine Disco-Beleuchtung schwankende Intensitäten verschiedenfarbiger LEDs.

Wie wird also Helligkeit wahrgenommen? Wenn Sie zwei LED-Lampen mit jeweils 100 Lumen haben, sollte das Ergebnis logischerweise eine doppelte Helligkeit sein. Tatsächlich reagiert das menschliche Auge logarithmisch empfindlich auf Intensitätsänderungen, was bedeutet, dass eine Verdoppelung der Intensität als kleine Änderung wahrgenommen wird.

Die Wahrnehmung der Lichtintensität folgt dem Potenzgesetz von Stevens mit einem Exponenten, der von der Größe Ihres Sichtfelds abhängt, die das Licht einnimmt. Für einen 5-Grad-Punkt beträgt der Exponent etwa 0,33, für eine Punktquelle jedoch etwa 0,5. Das bedeutet, dass bei einem 5-Grad-Punkt die Quelle um den Faktor 8 vergrößert werden muss, um doppelt so hell zu erscheinen, und bei einer Punktquelle um den Faktor 4 vergrößert werden muss, um doppelt so hell zu erscheinen.

Beginnen wir mit einer einfachen 1-W-SMD-LED, wie sie von Adafruit erhältlich ist. Dieses hat eine Nennleistung von 90 Lumen und wird mit einer Aluminiumplatine als Kühlkörper geliefert. Hier ist ein kurzer Blick auf einige Parameter der LED.

Das Datenblatt enthält einige ziemlich wichtige Informationen, beginnend mit dem Durchlassstrom (kontinuierlich) und dem Spitzendurchlassstrom. Die Werte betragen 350 mA bzw. 500 mA und sollten nicht überschritten werden.

Es werden zwei weitere wichtige Informationen verwendet, die als Diagramme dargestellt werden. Das erste ist das Vorwärtsstrom- und Spannungsdiagramm, das zeigt, dass eine Spannung von etwa 1,8 V ausreicht, um die LED in Vorwärtsrichtung vorzuspannen. Danach steigt der Strom ohmsch an und soll bei etwa 3 V etwa 200 mA ziehen. Die zweite Kurve ist der relative LI gegenüber dem Vorwärtsstrom, was zeigt, dass der Strom die Menge der Lichtabgabe steuert (die gerade Linie erstreckt sich bis zur Markierung „4“).

Da die LED dem Ohmschen Gesetz folgt, sollte der Strom direkt proportional zur Spannung sein und daher können wir die Spannung variieren, um die Helligkeit zu steuern. Nun, es gibt nur einen kleinen Haken: Die Kurve des Vorwärtsstroms ist so steil, dass ein kleiner Spannungsanstieg zu einer größeren Stromänderung führt. Die Helligkeit ist unterschiedlich, wenn Sie eine Knopfzelle anstelle von zwei Alkalibatterien anschließen. Beide haben einen Potentialunterschied von 3 V, aber die von beiden gelieferte Strommenge ist unterschiedlich und folglich ist auch die Helligkeit unterschiedlich. Anstatt die Spannung zu steuern, ist es besser, den durch die LED fließenden Strom direkt zu steuern.

Am einfachsten ist es, ein Potentiometer in Reihe mit der LED zu schalten. Einfach! Wenn Sie den Widerstand variieren, tritt im Wesentlichen das Ohmsche Gesetz in Kraft und voilà! Variabler Widerstand entspricht variablem Strom entspricht variabler Helligkeit.

Hier ist eine Simulation einer LED mit einem variablen Widerstand zwischen 100 Ohm und 1 Kiloohm. Das einzige Problem besteht darin, dass es verheerende Folgen haben kann, wenn sich der Widerstand der LED ändert oder die Spannung schwankt. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um eine Steuerung mit offenem Regelkreis und es gibt keine Rückmeldung von der Schaltung an den Benutzer, außer der Änderung der Helligkeit.

Natürlich gibt es auch das Problem der Effizienz, da das Potentiometer auch Verlustleistung verursacht.

Am einfachsten ist es, einen Konstantstromkreis zu erstellen. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, eine einfache Konstantstromquelle zu erstellen, und ich empfehle dringend, das Buch „Art of Electronics“ durchzulesen, um eine detaillierte Erklärung dazu zu erhalten. Es überrascht nicht, dass es auch einen Wikipedia-Artikel zu diesem Thema gibt.

Sie können einen klassischen LM317-Spannungsregler verwenden, um einen kleinen Konstantstrom bereitzustellen. Es ist nicht sehr effizient, da bei höheren Strömen viel Wärme am Einstellwiderstand abgegeben wird.

Die bessere Methode besteht darin, einen geschlossenen Schaltkreis zu verwenden, der eine analoge Rückmeldung liefert, um übermäßige Ströme zu verhindern und Lastschwankungen auszugleichen. Die gezeigte Schaltung ist ein einfacher Strombegrenzer und wird empfohlen, da sie einen höheren Wirkungsgrad als andere Transistorschaltungen bietet.

Es begrenzt den Strom durch R_sense, so dass der Spannungsabfall an ihm nicht mehr als 0,6 V beträgt. In diesem Fall schaltet sich Q2 ein und Q1 aus, wodurch der Strom durch R_load begrenzt wird, der in unserem Fall eine LED ist. Durch Anpassen von R_sense mithilfe des Ohmschen Gesetzes können wir den maximalen Strom unserer LED anpassen.

Ich persönlich bevorzuge die obige Schaltung, bei der Q1 durch einen MOSFET ersetzt wird. In Fällen, in denen wir die Helligkeit jedoch digital steuern möchten, wäre die nächste Methode viel besser geeignet.

Die nächste Schaltung beinhaltet die Verwendung einer Reihe von Impulsen, um den Strom durch die LED ein- und auszuschalten. Es ist, als würde man den Netzschalter so schnell betätigen, dass es scheint, als sei das Licht gedimmt. Allgemein bekannt als PWM oder Pulsweitenmodulation, kann für diese Aufgabe eine Reihe von Impulsen mit variablen Arbeitszyklen oder EIN- und AUS-Zeiten eingesetzt werden.

Unter diesem Thema gibt es zwei Teile, die besprochen werden müssen. Die erste ist die Schaltquelle, die ein einfacher Oszillator oder ein Mikrocontroller sein kann. Der zweite ist der Schalter selbst, der die treibende Phase dieses Entwurfs sein wird. Schauen wir uns beide kurz an.

Für die Impulserzeugung ist der bescheidene 555 eine gute Wahl. Die Schaltung zeigt eine einfache PWM-Schaltung, wobei T1 das Schaltelement ist.

Zur Erzeugung der Impulse ist der bescheidene 555 eine gute Wahl. Die folgende Schaltung zeigt eine einfache PWM-Schaltung mit T1 als Schaltelement.

An diesem Punkt haben wir eine Reihe von Optionen und Fragen, die beantwortet werden müssen.

1. Was ist die richtige Frequenz für die PWM?

2. Woher weiß ich, wie viel Strom zugeführt wird und

3. Wie wirkt sich das alles auf die Helligkeit aus?

Die Frequenz der PWM beeinflusst das wahrgenommene Flimmern. Ein einfaches Beispiel: Wenn Sie digitales Video aufnehmen und NTSC in einer 60-Hz-Beleuchtungsumgebung verwenden, nimmt Ihre Kamera viel Flimmern auf und die Umstellung auf PAL wird eine große Hilfe sein. Für PAL sind es 50 Hz, also probieren Sie es gleich mit Ihrer Webcam aus und sehen Sie sich den Effekt an.

Die Idee ist, dass höhere Schaltfrequenzen besser sind, man aber nicht beliebig hoch gehen kann. Denken Sie daran, dass alle LEDs eine Einschaltzeit haben, die erforderlich ist, damit sie einschaltet und zu leuchten beginnt. Wenn Sie zu schnell wechseln, geht die LED einfach nicht an. Eine weitere Konsequenz ist, dass die Frequenz einen Einfluss auf die Effizienz des Schaltelements hat, worauf wir gleich noch eingehen werden. Jetzt müssen wir die beste Frequenz für unsere LED herausfinden. Scrollen Sie zurück nach oben und sehen Sie sich den letzten Eintrag im Datenblattausschnitt an.

Dort steht 1 KHz, was die Empfehlung des Herstellers ist und in den meisten Fällen wird diese Information im Datenblatt selbst bereitgestellt. Wenn nicht, sollte alles über 500 Hz verwendbar sein. Unter diesem Link finden Sie eine Anwendung zum Dimmen von LEDs.

Da diese Technik eine digitale Steuerung des Stroms und damit der Helligkeit ermöglicht, besteht der nächste Schritt darin, einen Weg zur Steuerung der Helligkeit zu finden. Denken Sie daran, dass der LI direkt proportional zum Strom ist, die wahrgenommene Helligkeit jedoch logarithmisch ist. Wir müssen den linearen Schritteingang in eine logarithmische Stromschwankung umwandeln.

Bei der Verwendung von Mikrocontrollern oder sogar FPGAs ist die Antwort ganz einfach: Nachschlagetabellen! Verfügen Sie über eine Liste von PWM-Arbeitszyklen, die einer Folge wahrgenommener Helligkeitswerte entsprechen. Ein großartiges Beispiel, das ich erwähnen muss, ist hier, wo der Designer ein FPGA verwendet, um eine Protokoll-LUT zu erstellen, um aus Benutzereingaben einen linearen PLI zu generieren. Die gleiche Nachschlagetabelle kann mit einem Arduino verwendet werden, und ich empfehle Ihnen dringend, es auszuprobieren.

Persönliche Anmerkung: Als LEDs zum ersten Mal auf den Markt kamen, bestand eines der Probleme, mit denen wir konfrontiert waren, darin, dass die mit den Lampen gelieferten LED-Treiber nicht richtig funktionierten. Ich habe zunächst einen kleinen Schaltkreis zur Strombegrenzung zusammen mit einem Thermistor entworfen, um die LED abzuschalten, wenn das Schaltelement überhitzt. Schließlich entstanden spezielle Lösungen, die wir uns in den folgenden Abschnitten ansehen werden.

Der zweite Punkt im Menü ist das eigentliche Schaltelement. Je nach Budget und Gemütszustand können Sie einen BJT, einen FET oder einen MOSFET verwenden. BJTs sind einfachere Kreaturen und erfordern nur sehr wenige zusätzliche Komponenten. Ein 2N2222 kann einen Strom von 800 mA sicher verarbeiten, was für viele Anwendungen gut ist.

MOSFETS hingegen stellen hinsichtlich der Komponenten höhere Anforderungen und erfordern ein wenig Sorgfalt beim Einsatz. Im Gegenzug bieten sie einen weitaus geringeren Einschaltwiderstand in der Größenordnung von Milliohm und einen höheren Wirkungsgrad. Schauen wir uns beide an.

Hier ist die einfachste BJT-LED-Treiberschaltung. Es besteht aus einem Transistor, der in Emitterschaltung geschaltet ist. Der Transistor wird eingeschaltet, wenn der Eingangsschalter geschlossen ist, wodurch Strom von der LED zum Erdungsanschluss fließen kann. Der Widerstand wird berechnet als

r0 = (Va+Vce) / Ic wobei Va die Frühspannung ist.

Dieser ist nicht konstant und variiert mit dem Arbeitspunkt des Transistors und liegt unter Sättigungsbedingungen in der Größenordnung von einigen Ohm. Die Verlustleistung ist für einige Milliampere unbedeutend, wird jedoch bei größeren Stromentnahmen schnell zum Problem.

Ich verweise Sie auf einen Videobeitrag von [Dave Jones] vom EEVBlog, in dem er einen BD136 und einen 555 verwendet, um die Helligkeit von LEDs an einem Gerät zu variieren. Dies funktioniert für Lasten mit geringerer Wattzahl. Wenn Sie jedoch größere LEDs betreiben möchten, müssen Sie damit rechnen, einige recht kräftige Kühlkörper hinzuzufügen.

Ein MOSFET hat einen sehr niedrigen EIN-Widerstand in der Größenordnung von einigen Milliohm, was bedeutet, dass er in einem solchen Zustand gemäß P = I2R nur sehr geringe Wärmemengen ableitet.

Da es sich hierbei um spannungsgesteuerte Geräte handelt und sie über sehr hohe Eingangsimpedanzen verfügen, können wir mehrere davon sicher parallel schalten. Leider sind diese auch anfällig für falsche Einschaltereignisse, daher müssen Schaltkreise für Schaltanwendungen sorgfältig entworfen werden. Für Interessierte gibt es hier eine ausführlichere Erklärung. In diesem Artikel werden wir jedoch mit einem allgemeinen Fall fortfahren.

Ich habe kürzlich zwei No-Brand-LED-Panels in einem örtlichen Baumarkt gekauft. Der Verkäufer sagte mir, ich solle sie an eine 12-V-Quelle anschließen und sie würden funktionieren. Als ich sie miteinander verkettete und an ein Tischnetzteil anschloss, stellte ich fest, dass sie bei 12 Volt bis zu 2,7 Ampere aufnehmen können! Die Helligkeit ist aus nächster Nähe erschreckend und ich muss ihre Helligkeit steuern.

Der nächste Schritt besteht darin, herauszufinden, welcher MOSFET am besten passt. Angesichts der Überschwinger beim Schalten würde ich sicherheitshalber gerne zu einem 20-V- oder sogar 30-V-Drain-Source-Spannungsgerät greifen. Was den Strom angeht: Wenn ich etwa 5 Ampere Spitzenstrom durchlassen möchte, würde ein Res(ON) von 0,1 Ohm 2,5 Watt bedeuten! In einem solchen Fall würden sich meine Kühlkörperkosten stark auf mein Endprodukt auswirken. Stattdessen hätte ich gerne etwas mit einem Bruchteil des Einschaltwiderstands – etwa 0,01 Ohm oder weniger, insbesondere für SMD-Geräte.

Als nächstes beabsichtige ich, den MOSFET entweder gegen einen 555 oder einen Arduino auszutauschen. Dies entspricht 5 V Vgs und daher werden Logikpegel-MOSFETs bevorzugt; Obwohl ich die LEDs mit einer 12-Volt-Versorgung betreiben werde, könnte ich einen Transistor oder einen speziellen MOSFET-Treiber verwenden. Ohne sie wäre der effektive Widerstand höher, aber einen Versuch ist es trotzdem wert.

Ich bin auch versucht, mir den PH2520U und den inzwischen veralteten MTP3055VL anzusehen, bei dem es sich um einen Logic Level MOSFET handelt. Der MTP3055VL hat einen relativ hohen Einschaltwiderstand und kann mit 5,0 Volt auf Kosten von 0,18 Ohm und viel Verlustleistung eingeschaltet werden.

IRF530, IRF540, IRFZ44N und AO3400A sind allesamt eine gute Wahl, da ich einige davon auf Lager habe. Mit einem IRFZ44N habe ich einen einfachen LED-Treiber erstellt und direkt einen Arduino Uno verwendet. Denken Sie daran, dass die Arduino-Pins bis zu 5 V erreichen und ich das Fade-Beispiel verwendet habe, das sofort PWM erzeugt. Die Frequenz des PWM-Signals beträgt 490 Hz, was recht ordentlich ist.

Das Ergebnis ist eine effektive Dimmung des Panels. Wenn wir uns jedoch die Wellenform genauer ansehen, sehen wir, dass der Ausgang bei einem einzelnen LED-Panel eine erhebliche Anstiegszeit aufweist.

Dies ist auf die kapazitiven Parasiten sowie einen schwachen Stromantrieb zurückzuführen und kann durch Hinzufügen einer Transistortreiberstufe behoben werden. Dieser TI-Anwendungsbericht (PDF) dokumentiert Gate-Treiberschaltungen recht gut anhand eines nichtinvertierenden bipolaren Totem-Pole-Treibers, der von [Joost Yervante Damad] ausführlich untersucht wurde. Da unsere Schaltfrequenz im unteren Bereich liegt, sind diese Schaltverluste unbedeutend. Wenn wir im kHz-Bereich oder MHz-Bereich umschalten würden, würden diese Parasiten schnell den Tod unseres Prototyps bedeuten.

In meinem Fall habe ich ohne Treiberstufe weitergemacht, dann aber den Code für ein Tastverhältnis von 75 % geändert und die Stromaufnahme mit einem variierenden PWM-Wert gemessen. Es stellte sich heraus, dass der Spitzenstrom knapp unter 1 A liegt. Der MOSFET erwärmte sich nicht so stark, dass ein Kühlkörper erforderlich wäre, sodass die Schaltung unverändert auch für dieses LED-Panel verwendet werden kann. Ich kann mit der Herstellung einer Platine für meine kleine Lampe fortfahren, es gibt jedoch noch eine weitere Option, die ich mir gerne ansehen würde.

Mit speziellen LED-Treiberchips können Sie LEDs effektiv steuern, ohne sich über alle Parameter Gedanken machen zu müssen. Ein gutes Beispiel ist der TPS92512, der die Steuerung von LEDs mit hoher Helligkeit über intern gesteuertes PWM ermöglicht. Die Stromregelung ist intern implementiert und externe Signale einschließlich PWM sowie analoge Signale können zur linearen Steuerung der Helligkeit genutzt werden. Keine Nachschlagetabellen erforderlich.

Ich habe eine Testplatine mit demselben LED-Panel so verkabelt, dass die Helligkeit über den IADJ-Pin gesteuert wird. Über eine einfache Voreinstellung wurde die Spannung am gewünschten Pin zwischen 0,8 und 1,8 Volt variiert. Der Ausgang ist eine saubere und effiziente variable Spannung, die durch eine Endstufenkappe gefiltert wird.

Die PWM-Frequenz beträgt etwa 580 kHz, wenn sie zwischen der Induktivität abgetastet wird. Ich konnte jedoch keine Schwingungen an den Ausgangs-LED-Pins erkennen, was bedeutet, dass die Filterstufe ihre Aufgabe effektiv erledigt. Ich habe in Autodesk Eagle (GitHub) eine DIY-Version der Leiterplatte erstellt, die Sie herunterladen können, um Ihre eigene zu erstellen.

Da ist ein wenig OSHPark-Lila drin und ich hoffe, dass ich es selbst löten kann. Angesichts der Größe der Stifte sollte es eine unterhaltsame Übung sein. Lassen Sie es mich wissen, wenn Sie selbst eines herstellen.

Wie treibt man also eine LED an? Die Antwort liegt in Ihrem Anwendungsbereich. Für kleine LED-Stromaufnahmen sind BJTs einfacher und am kostengünstigsten. Für mittlere Stromaufnahmen eignen sich MOSFETs besser, und wenn Sie Lösungen suchen, die sofort ein großartiges Erlebnis bieten, sind dedizierte Treiberchips die richtige Wahl. Was mich betrifft, muss ich eine Lampe fertigstellen, die den Mittelweg verwenden wird, da es in meinen Tests geklappt hat. Sollte ich jemals den Punkt erreichen, an dem ich Flimmern in meinen Videos sehe, dann ist die TPS92512-Lösung sehr praktisch. Ich bin sicher, Sie haben eine eigene Lösung und der beste Weg, sie zu teilen, wäre ein Projekt auf Hackaday.io. Machen Sie weiter, basteln Sie eine kleine Lampe mit schneeweißem Licht und teilen Sie uns Ihre Geschichte mit.