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PWM-Led-Dimmer (vorabversion)SEL - Studenten Elektronik Labor∗

6. Oktober 2009

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 21.1. Kurzbeschreibung Pulsweitenmodulation - Pulsewidthmodulation . . . . . . . . . . . . 21.2. Alternative Anwendungsmöglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2. Projektplanung - PWM-LED-Dimmer (Projekt 081215) 22.1. Schaltungsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1.1. PWM-Ansteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1.2. Leistungstreiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1.3. LED-Leiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2. Dimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2.1. Bauteilwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2.2. Stromverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.3. Kostenübersicht der Baugruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3. Testen und Inbetriebnahme 53.1. Prüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2. Kalibrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.3. Zusammenbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

4. Technische Daten 6

Anhang 6A. Schaltplan 6

A.1. Ansteuerung & Treiberstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6A.2. LED-Leiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

B. Layout/Bestückung 9B.1. Ansteuerung & Treiberstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9B.2. LED-Leiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

C. PSpice Plot PWM-Ansteuerung 10

∗SEL : Studentenlabor des Fachbereichs Elektrotechnik und Informatik der FH-Münster Abteilung Steinfurt

1. Einleitung 2

1. Einleitung1.1. Kurzbeschreibung Pulsweitenmodulation - Pulsewidthmodulation

Abb 1.1.: Schema PWM

PWM, Pulsewidthmodulation oder auch Pulsweitenmodulation ist ein Modulationsverfahren, mitdem digital über die Modulation der Schaltzeiten analoge Signale erzeugt werden. So bestimmt dasVerhältnis von a ∈ [0...1] ∈ R das Verhältnis von UE zu UA ⇒ UA = aUE . Die Pulsweitenmodulationwird wie hier zum Dimmen von Leuchtmitteln, jedoch vorwiegend in Schaltnetzteilen eingesetzt. Sowird in der Lichttechnik der optische Nachleucht-Effekt von LEDs ausgenutzt. Diese können kurzzeitigmit einem Strom betrieben werden, der bis zum fünffachen des Nennstroms betragen kann, was jedochnur bei a ≤ 0,2 mit einer Taktung von 5...30kHz geschieht(Längere Zeiten würde zu einer Überhit-zung und damit zur Zerstörung führen). So kann das Auge dies jedoch nicht erkennen, da es nurBildänderungen . 12.5Hz wahrnimmt. Hier ist es jedoch angedacht die LEDs nicht mit Überstromzu versorgen, sondern nahezu linear von 0...100% die Lichtleistung dimmen zu können, ohne farblicheAbweichungen zu erhalten, wie es bei einem Dimmen mit variablen Vorwiderstand der Fall wäre. Einsolches Verfahren wird auch in den oberen Klassen im Automotiv-Bereich angewandt um Farbtreueauch bei gedimmten Licht zu gewährleisten.

1.2. Alternative AnwendungsmöglichkeitEin Anwendungsmöglichkeit ergibt sich zum Beispiel aus der adaptiven Farbmischung von Rot, Grünund Blau mit jeweils einem Element für jede Farbe, wo so eine angestrahlte Fläche, optional auch dasinnere einer Lampe mit mattem Schirm oder ähnliches, in jeder gewünschten Farbe beleuchtet werdenkann. 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 saubereVermischung der Farben gewährleistet. Die Summe aller Farben in der richigen Helligkeit sollte dannWeiss ergeben.

2. Projektplanung - PWM-LED-Dimmer (Projekt 081215)2.1. SchaltungsplanungDas 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 undein wenig äußerer Beschaltung realisiert sind. Das eine ist das Zeitglied welches fest eingestellt ist. Die

1Ein Diffusor streut das Licht, wodurch der geringe Winkel der Linsen der LEDs aufgehoben wird

2. Projektplanung - PWM-LED-Dimmer (Projekt 081215) 3

Taktgeber - Zeitschalter(t)

?

a

-

s

Abb 2.1.: Schematischer Aufbau - PWM-Ansterung

Frequenz des astabilen Multivibrators errechnet sich aus der Standard-Formel(1). Diese ist auch imDatenblatt 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 wenigervon belangen. Genaueres ist auch im Datenblatt des Herstellers nachzulesen. Das Taktverhältnis istzudem auch in dem Plot aus PSpice2 als V (X1 : OUTPUT ) mit U(t) dargestellt. Weiter ist in diesemPlot 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 oderähnliches schalten kann. Der Gleichrichtwert der Schaltspannung Ugleich ergibt sich so recht einfachmit Ue : Eingangsspannung, a : Schaltfaktor und T : Periodendauer mit a ∈ (0...1) ∈ R.

Ugleich =∫ aT

0Ue da+

∫ TaT

0 da (5)

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 JP1

angeschlossenen Trimmer abhängt, ist in dem Plot aus PSpice als V (X2 : OUTPUT ) mit U(t) dar-gestellt. Zudem ist die linear ansteigende Spannung V (X2 : CONTROL) mit U(t) die Spannung desSpannungsteilers. So kann man nun auch V (X2 : OUTPUT ) als f(V (X2 : CONTROL)) beschreiben.

Ugleich = aUe (7)Ugleich = f(V (X1 : DISCHARGE), V (X2 : CONTROL)) (8)

2.1.2. Leistungstreiber

s - Leistungstreiber

?

UB

-

SP

Abb 2.2.: Schematischer Aufbau - Leistungstreiber

Der Leistungstreiber besteht in dieser Version nur aus einem BUZ11A3. Dies ist ein einfacher FET-Transistor, der jedoch im Schaltbetrieb gekühlt bis zu 104A schalten kann. Wenn die PWM jedoch

2PSpice 9.1 Studentenversion3Alternativ 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 derLaststrom 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 Lichausbeuteoptisch gleich ist, jedoch die verbrauchte Leistung PLast mit PLast = UBtI

−1PLast < UBI

−1Last mit IPLast

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 zudimensionieren, um Schäden an der Batterie durch die Pulslast zu verhindern.

2.1.3. LED-Leiste

SP - LED-Leiste

Abb 2.3.: Schematischer Aufbau - LED-Leiste

Die LED-Leiste ist eine Parallelschaltung aus vier Strängen von je drei LEDs und einem Vorwider-stand. Bei superhellen LEDs ergibt sich so eine Diodenspannung UD = Uf ≈ 1,85...4,0V 4 und darausein RV = (UB − 3UD)I−1

D . Genaueres zur Dimensionierung ist im oberen Abschnitt nachzulesen.

2.2. Dimensionierung2.2.1. Bauteilwerte

Die Vorwahl der Widerstände erfolgte aus Erfahrungswerten. Später wurden die Widerstände mitPSpice genauer ermittelt. Durch den Unterschied von Simulation und realem Verhalten der Baueilekann 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 entsprechen-

den Hersteller zu finden. Der BUZ11A ist aus früheren Schaltungen übernommen worden und fungierthier als Schalter. Aufgrund der FET-Eigenschaft, dem leistungslosen Schalten von Spannung undStrom, ist dieser ideal und spart daher eine Umdimensionierung, sobald eine LED-Leiste an-, oderabgehängt wird.

2.2.2. Stromverbrauch

Der Stromverbrauch der Schaltung ist stark Lastabhängig, weshalb man den Strom der Steuerplatinevon ≈ 15mA im Vergleich von 200− 300mA je LED-Leiste als Rauschanteil5 vernachlässigt werden.

2.3. Kostenübersicht der BaugruppenHier sind die Kosten der Bauteile für die Ansteuerung und den Treiber aufgelistet. Dieses Projektgestaltet 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 dasPlatinenmaterial fehlt, da es für Reststücke gedacht ist, weshalb das Layout modular geteilt und aufminimale Grösse optimiert ist.Noch fehlende Bauteile sind Kühlkörper7, LEDs, Vorwiderstände und Platinen.

4Farb- und Bauteilspezifischer Wert; Nachzulesen im Datenblatt, anderen HerstellerangabenTypische Werte: Weiß : 3,5V ; Blau : 3,2V ; Rot : 1,85V ; Gelb : 2,0V ; Grün : 3,3V ; Pink : 3,5V ; Violett : 3,5V

5Als Rauschanteil werden Grössen bezeichnet, die neben anderen kaum messbar sind oder von anderen stark überlagertwerden (Ein Vogelzwitschen neben der BAB 1 im Berufsverkehr)

6Inklusive MwST exklusiv Porto und Verpackung7Kühlkörper sind nicht notwendig, wenn die Leistungsstufe im unteren Leistungsbereich des FET-Transistors gebrauchtwird

3. Testen und Inbetriebnahme 5

Baugruppe Bauteil Wert Best-Nr Menge Stückpreis GesamtAnsteuerung R1, R4 100KΩ, Metall METALL 100K 2 0,0820 0,1640

R2 1KΩ, Metall METALL 1K 1 0,0820 0,0820R3 Poti, liegend, 6mm, 10KΩ PT 6-L 10K 1 0,2200 0,2200C1 2,2nF -Scheibe X7R-2,5 2,2N 1 0,0820 0,0820C2 1,0nF -Scheibe X7R-2,5 1,0N 1 0,0820 0,0820C3 100nF -Scheibe Z5U-2,5 100N 1 0,0620 0,0620IC1,2 NE555, DIL-Gehäuse NE 555 DIP 2 0,1200 0,2400

Treiber Q1 BUZ 11A, FET-Transistor BUZ 11A 1 0,6300 0,6300C4 1000µF/16V, Elko, radial RAD 1.000/16 1 0,1900 0,1900

2,1500

Tabelle 2.1.: Baukosten für Ansteuerung und Treiber bei Reichelt.de

3. Testen und Inbetriebnahme3.1. PrüfungVor dem ersten Betrieb sollte erst das Steuerelement einzeln überprüft werden. Es sollte zum ersten Be-trieb eine Spannungsquelle mit Strombegrenzung verwendet werden, um bei Überstrom keine Bauteilezu 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.

MesspunktA MesspunktB Bezugspunkt USollIC14 IC18 IC11 VCCIC24 IC28 IC21 VCC

Tabelle 3.1.: Messwerte für die erste Prüfung

Die Bezugspunkte sind so gewählt, dass alle Versorgungsanschlüsse geprüft werden um so Fehlerausschließen zu können. Nun kann auch das Signal an IC23 mit einem Oszilosscope geprüft werden.Wenn sich dies nicht über den an JP1 angeschlossenen Potentiometer verändern lässt, sollte das SignalIC13 geprüft werden.

3.2. KalibrierungWenn soweit die Schaltung funktioniert, sollte das Potentiometer an JP1 auf Vollanschlag für Hell(grössterWiderstandswert) gedreht werden. Nun wird der Trimmer R3 genau auf den Punkt eingestellt, wo dieAnsteuerung eine Art Übersprechen hat. So haben wir nun einen Gleichspannungstrimmer, der imunteren Bereich nicht so sauber arbeitet wie gewünscht, aber dafür stufenlos von 0..100% reicht. Diemeisten Ansteuerungen dieser Art haben meist nur einen Teil-Bereich.

3.3. ZusammenbauDer Zusammenbau sollte sich einfach gestalteten, da der Treiberstufe mit Abstandshülsen auf dieAnsteuerung zu verschrauben ist. Die einzelnen LED-Leisten können über die dafür vorgesehenen An-schlüsse nacheinender parallel geschaltet werden. Der Laststrom sollte jedoch nicht den Maximalstromüberschreiten(siehe Kapitel 2.1.2). Eventuell ist je nach Belastung für Q1 ein Kühlblech vorzusehen.

4. Technische Daten 6

4. Technische DatenFolgende Eckdaten kann man für diese Schaltung nennen:

Versorgungsspannung : 10...14 VStromverbrauch Standby : ≈20 mADimmbereich : 0...100 %Strom je LED-Leiste(RV = 75Ω) : ≈200...300 mA

Tabelle 4.1.: Technische Daten

A. SchaltplanA.1. Ansteuerung & Treiberstufe

A.2. LED-Leiste

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/BestückungAlle 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 10

Abb 2.4.: Bestückung - LED-Leiste

C. PSpice Plot PWM-Ansteuerung

Abb 3.1.: Simulation - PWM-Ansteuerung