PWM-Led-Dimmer (vorabversion)

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1 1 PWM-Led-Dimmer (vorabversion) SEL - Studenten Elektronik Labor 6. Oktober 2009 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Kurzbeschreibung Pulsweitenmodulation - Pulsewidthmodulation Alternative Anwendungsmöglichkeit Projektplanung - PWM-LED-Dimmer (Projekt ) Schaltungsplanung PWM-Ansteuerung Leistungstreiber LED-Leiste Dimensionierung Bauteilwerte Stromverbrauch Kostenübersicht der Baugruppen Testen und Inbetriebnahme Prüfung Kalibrierung Zusammenbau Technische Daten 6 Anhang 6 A. Schaltplan 6 A.1. Ansteuerung & Treiberstufe A.2. LED-Leiste B. Layout/Bestückung 9 B.1. Ansteuerung & Treiberstufe B.2. LED-Leiste C. PSpice Plot PWM-Ansteuerung 10 SEL : Studentenlabor des Fachbereichs Elektrotechnik und Informatik der FH-Münster Abteilung Steinfurt

2 1. Einleitung 2 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 U E zu U A U A = au E. 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 kHz 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 % 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 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 Diffusor 1, 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 ) 2.1. Schaltungsplanung Das Gesamtprojekt ist in drei Kleinbereiche unterteilt. PWM-Ansteuerung Leistungstreiber LED-Leiste 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

3 2. Projektplanung - PWM-LED-Dimmer (Projekt ) 3 a Taktgeber Zeitschalter(t) 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(R 1 + 2R 2 )C T = 0,69(100k + 2k)2,2nF T = 153,318µs = f 1 f 6,52kHz (1) (2) (3) (4) Zudem lässt sich noch das feste Verhältnis a IC1 von t ein zu t aus 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 PSpice 2 als V (X1 : OUT P UT ) 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 U gleich ergibt sich so recht einfach mit U e : Eingangsspannung, a : Schaltfaktor und T : Periodendauer mit a (0...1) R. U gleich = at 0 U gleich = au e T U e da + 0 da (5) at (6) So werden aus 5V bei a = 0,5 U gleich = au e = 2,5. Wie bei dieser Schaltung nun der Faktor a von dem Spannungsteiler aus R 3 und dem an JP 1 angeschlossenen Trimmer abhängt, ist in dem Plot aus PSpice als V (X2 : OUT P UT ) mit U(t) dargestellt. Zudem ist die linear ansteigende Spannung V (X2 : CONT 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. U gleich = au e (7) U gleich = f(v (X1 : DISCHARGE), V (X2 : CONT ROL)) (8) Leistungstreiber U B s Leistungstreiber S P Abb 2.2.: Schematischer Aufbau - Leistungstreiber Der Leistungstreiber besteht in dieser Version nur aus einem BUZ11A 3. Dies ist ein einfacher FET- Transistor, der jedoch im Schaltbetrieb gekühlt bis zu 104A schalten kann. Wenn die PWM jedoch 2 PSpice 9.1 Studentenversion 3 Alternativ geht auch der kleinere BUZ10

4 2. Projektplanung - PWM-LED-Dimmer (Projekt ) 4 wie in diesem Projekt mehr im Bereich von a > 0,3 betrieben werden soll, ist anzuraten, dass der Laststrom I Last auf I Last < 26A ausgelegt wird. Manchmal kann es sinnvoll sein a so klein auszulegen. So kann man auch I D als Diodenstrom so überdimensionieren, dass bei einem a 0,1 die Lichausbeute optisch gleich ist, jedoch die verbrauchte Leistung P Last mit P Last = U B tip 1 Last < U BILast 1 mit I P 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 C 4 groß zu dimensionieren, um Schäden an der Batterie durch die Pulslast zu verhindern LED-Leiste S P LED-Leiste 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 U D = U f 1,85...4,0V 4 und daraus ein R V = (U B 3U D )ID 1. Genaueres zur Dimensionierung ist im oberen Abschnitt nachzulesen Dimensionierung 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 Stromverbrauch Der Stromverbrauch der Schaltung ist stark Lastabhängig, weshalb man den Strom der Steuerplatine von 15mA im Vergleich von mA je LED-Leiste als Rauschanteil 5 vernachlässigt werden 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 Preise 6 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 Kühlkörper 7, 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

5 3. Testen und Inbetriebnahme 5 Baugruppe Bauteil Wert Best-Nr Menge Stückpreis Gesamt Ansteuerung R 1, R 4 100KΩ, Metall METALL 100K 2 0,0820 0,1640 R 2 1KΩ, Metall METALL 1K 1 0,0820 0,0820 R 3 Poti, liegend, 6mm, 10KΩ PT 6-L 10K 1 0,2200 0,2200 C 1 2,2nF -Scheibe X7R-2,5 2,2N 1 0,0820 0,0820 C 2 1,0nF -Scheibe X7R-2,5 1,0N 1 0,0820 0,0820 C 3 100nF -Scheibe Z5U-2,5 100N 1 0,0620 0,0620 IC 1,2 NE555, DIL-Gehäuse NE 555 DIP 2 0,1200 0,2400 Treiber Q 1 BUZ 11A, FET-Transistor BUZ 11A 1 0,6300 0,6300 C µF /16V, Elko, radial RAD 1.000/16 1 0,1900 0,1900 Tabelle 2.1.: Baukosten für Ansteuerung und Treiber bei Reichelt.de 2, 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 I Ruhe 20mA liegt, können alle Versorgungspins der ICs mit einem Multimeter kontrolliert werden. Messpunkt A Messpunkt B Bezugspunkt U Soll IC1 4 IC1 8 IC1 1 V CC IC2 4 IC2 8 IC2 1 V CC 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 IC2 3 mit einem Oszilosscope geprüft werden. Wenn sich dies nicht über den an JP 1 angeschlossenen Potentiometer verändern lässt, sollte das Signal IC1 3 geprüft werden Kalibrierung Wenn soweit die Schaltung funktioniert, sollte das Potentiometer an JP 1 auf Vollanschlag für Hell(grösster Widerstandswert) gedreht werden. Nun wird der Trimmer R 3 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 % reicht. Die meisten Ansteuerungen dieser Art haben meist nur einen Teil-Bereich 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.

6 4. Technische Daten 6 4. Technische Daten Folgende Eckdaten kann man für diese Schaltung nennen: Versorgungsspannung : V Stromverbrauch Standby : 20 ma Dimmbereich : % Strom je LED-Leiste(R V = 75Ω) : ma Tabelle 4.1.: Technische Daten A. Schaltplan A.1. Ansteuerung & Treiberstufe A.2. LED-Leiste

7 A. Schaltplan 7 Abb 1.1.: Schaltplan - PWM-Ansteuerung und Treiberstufe

8 A. Schaltplan 8 Abb 1.2.: Schaltplan - LED-Leiste

9 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

10 C. PSpice Plot PWM-Ansteuerung 10 Abb 2.4.: Bestückung - LED-Leiste C. PSpice Plot PWM-Ansteuerung Abb 3.1.: Simulation - PWM-Ansteuerung