Spannungsversorgung der High-Power LEDs

[Hemi]

Hallo zusammen,

ich habe ein RGBW High Power LED-Modul, hier sind die Daten:

Forward voltage @350mA (typ/max): 3,2V / 3,9V
Forwand voltage @700mA (typ): 3,4V

Die Idee:
1. Man nehme einen PCA9633 (4-bit LED Treiber)
2. schalte vier N-MOSFETS (LogicLevel) nach (bspw. IRLZ34N) Gate zum LED-Treiber über einen 100R Widerstand, Source auf Masse und Drain zum LED hin

Soweit kein Problem. Und jetzt wird es interessant. Die LED braucht 350mA pro Chip (also 4x 350mA = 1,4A, bzw. 4x700mA = 2,8A) bei 3,2V (3,4V).

Meine Idee wäre jeder Kanal bekommt einen eigenen Spannungsregler (LM1117-5 beispielsweise) und dann halt über einen Vorwiderstand an die LED.

Oder gibt es andere/bessere Möglichkeiten?

 

[LotadaC]

Statt des Spannungsreglers kannst Du dann doch gleich 'ne Konstantstromquelle nehmen. Ggf mit PWM/TWI/SPI... schau mal bei webench vorbei.

Ich hab noch den LM3407 im Kopf, Dino hatte vor kurzem auch irgendson IC... glaub ich. Da gibt bestimmt auch'n Mehrkanal-Chip.

LM3407: StepDown, 350mA (oder weniger enstellbar), PWM dimmbar und enable-Pin
LM3404: StepDown, 1A (oder weniger), PWM-dimmbar

aber wie gesagt - die sind schon etwas älter. Inzwischen wirds da sicher passenderes geben.

 

[dino03]

Hallo,

also bei diesen Power-LEDs hat man beim dimmen ein dickes Problem.

Die Konstantstromquelle muß schnell genug regeln können um beim PWM auch schnell auf den Soll-Strom zu kommen. Bei mehreren Kilohertz PWM spielt sich das schon in Mikrosekunden ab.

Wenn man mit Vorwiderstand arbeitet dann wird bei den Stromstärken schon richtig was an Leistung verbraten. Das heizt richtig gut

Bei diesen Multicolor-LEDs hat man zu allem Übel eventuell auch noch einen gemeinsamen Anschluß für alle Chips. Also Common-Anode und dann Kathode-Rot, Kathode-Grün, Kathode-Blau Es gibt aber auch Multicolor mit getrennten Anschlüssen der Chips (hab ich schonmal gesehen). Bei den gemeinsamen Anschlüssen kann man nicht die normalen PWM-Schaltwandler-Chips nehmen die ich zB verwendet habe. Dann wird das ganze echt ekelig.

Gruß
Dino

 

[LotadaC]

Hmm...

The LM3407 accepts an external PWM dimming signal at the DIM pin. The signal is buffered before being applied to the internal switch control block responsible for controlling the ON/OFF of the power switch, Q1.

Wie soll ich das jetzt bezüglich Deiner Aussage interpretieren?
(beim 3404 isses anders)

 

[dino03]

Hi,

ich hatte den LM3404. Da sitzt die LED aber mitten in der Schaltung. Dadurch kann man natürlich keine Multicolor-LEDs mit gemeinsamen Anschlüssen nehmen weil man damit dann die einzelnen Wandlerschaltungen miteinander verknoten würde.

Gruß
Dino

 

[LotadaC]

Stimmt, aber beim 3407 sollte 'ne common Anode machbar sein, oder?
Hemi: Datenblatt zu den LEDs bitte!

 

[dino03]

Hi,

Stimmt, aber beim 3407 sollte 'ne common Anode machbar sein, oder?
Hemi: Datenblatt zu den LEDs bitte!

wenn man die Reihenschaltung der Speicherdrossel und der LED mit dem Kondensator austauscht, dann sollte es gehen. Aber nur mit gemeinsamer Anode. Bei meinem LM3404 (1A) und dem LM3402 (0,5A) geht das nicht.

Den LM3407 gibts auf jeden Fall nicht bei Reichelt (grad nachgesehen).

Gruß
Dino

 

[LotadaC]

Irgendwo im "einfache Platinen Thread" hatte ich'n Bild vom 3407 (der, wo jetzt im ESRF in Grenoble arbeitet). Der wurde damals bei RS-online geordert. daß geht da aber immer nur in 5er-Tapes

 

[Hemi]

Das Problem ist halt eben, dass da schon ein PWM-Controller vorhanden ist, sprich mein LED-Treiber. Deswegen wird es mit einem getakteten "Spannungsregler" schwierig.

Das Datenblatt ist hier zu finden.

 

[LotadaC]

Hmm... ich kenne Deinen "Controller" nicht. Deine Led besteht aus 4 einzelnen LEDs. Insofern könnte(!) also jede einen eigenen Regler erhalten.

 

[Hemi]

Hier ist das Datenblatt zum LED-Treiber: PCA9633

 

[LotadaC]

Nun ja, wenn Du bereits auf diesen TWI-LED-Treiber festgelegt bist, brauchst Du irgendwas, was zum erhöhten Strombedarf Deiner LEDs vermittelt.
Also entweder je Farbe einen FET, der die LED nebst Vorwiderstand nach Gnd zieht (siehe Figure 22 - Achtung, Verluste am Widerstand berechnen!)
Oder Du hängst an jeden PWM 'nen PWM-fähigen StepDown, der als Stromquelle arbeitet. Wäre aber aufwändiger und teurer. Dafür verlustärmer.

 

[Dirk]

Oder Du hängst an jeden PWM 'nen PWM-fähigen StepDown, der als Stromquelle arbeitet. Wäre aber aufwändiger und teurer. Dafür verlustärmer.

Ja, so wäre es sicherlich optimal.

Die LED steuert man über den Strom an. Bei einem linearen Spannungsregler plus Vorwiderstand zur LED hat man immer Verlustleistung. Was noch nicht erwähnt wurde (zumindest habe ich es nicht gefunden), welche Betriebsspannung vorhanden ist, ist diese nämlich zu hoch, kann man eh lineare Regelung vergessen, es sei denn man benötigt für die kalten Wintertage eine Heizung

Die einfachste und billigste Möglichkeit, falls 5V vorhanden sind, hier einzeln mit MOSFETS nach GND schalten (wie bereits erwähnt) und vor die LEDs Leistungswiderstände (müsste um die zwei bis drei Ohm sein, Verlustleistung wäre bei 100% an um die 1,5W). Diese Lösung finde ich aber nicht so schön. Dies würde auch nur dann funktionieren, wenn die 5V Quelle den Strom liefern kann.

Dirk

 

[Hemi]

Hallo zusammen,

ich habe es mir etwa so vorgestellt:



Es ist nur eine Pseudoschaltung, eher als Blockschaltbild zu sehen.

 

[Dirk]

Hallo Heinrich,

wie hoch ist denn VCC?

An der Anode der LED verschaltest du einen linearen Spannungsregler in Serie zu einem Widerstand nach VCC. Durch den Spannungsabfall an dieser Serienschaltung hast du eine Verlustleistung am Linearregler und am Widerstand. Wenn die Spannung VCC nun nicht zu sehr schwankt, kannst du auch gleich nur einen Widerstand verwenden ... allerdings befürchte ich, dass VCC zu hoch und dass dadurch die Verlustleistung zu groß ist.

In diesem Fall müsstest du den Strom einer LED mit einem Schaltregler regeln. Das wird wahrscheinlich relativ aufwändig und teuer.

Du könntest hier aber eventuell auch einen Schaltregler verwenden, der VCC auf eine kleinere Spannung U2 bringt und dann mit entsprechenden Vorwiderständen für die LEDs arbeiten, so dass sich überall ein zulässiger Strom einstellt und die Verlustleistung an den Rs nicht zu groß ist.

Dirk

 

[Hemi]

Hallo Dirk,

VCC liegt bei 12v. Als Regler nehme ich LM1117-5, also ein LDO mit 5v und 800mA.

Die LEDs brauchen ja unterschiedliche Spannungen, deswegen sind die R auch unterschiedlich, okay, ich habe jetzt keine Werte reingeschrieben.

 

[Dirk]

Hallo Heinrich,

VCC liegt bei 12v. Als Regler nehme ich LM1117-5, also ein LDO mit 5v und 800mA.

durch die eine LED 700mA bei 3,4V hast du an der Serienschaltung 6W Verlustleistung, davon entstehen am Linearregler etwa 5W! Auch wenn der Regler den Strom liefern kann, das Problem ist die Verlustleistung. LDO oder nicht ist hier auch egal. Man könnte es vielleicht so machen, mit TO220 oder größer und großem Kühlkörper ... aber zeitgemäß ist es nicht und der Wirkungsgrad ist ... naja miserabel. Bei VCC 12V wirst du wohl nicht an einer Schaltreglerlösung herum kommen.

Dirk

 

[dino03]

Hallo,

Nun ja, wenn Du bereits auf diesen TWI-LED-Treiber festgelegt bist, brauchst Du irgendwas, was zum erhöhten Strombedarf Deiner LEDs vermittelt.
...
Oder Du hängst an jeden PWM 'nen PWM-fähigen StepDown, der als Stromquelle arbeitet. Wäre aber aufwändiger und teurer. Dafür verlustärmer.

so würde ich es machen. Dafür würden die LM3402/3404 gehen. Die PWM-Frequenz darf aber nicht zu hoch sein. 100-400Hz würde ich anstreben. Nicht mehr da der Regler sonst keine Zeit hat den Strom wieder einzustellen. Er taktet ja auch "nur" mit einigen zig Kilohertz.

VCC liegt bei 12v. Als Regler nehme ich LM1117-5, also ein LDO mit 5v und 800mA.
Die LEDs brauchen ja unterschiedliche Spannungen, deswegen sind die R auch unterschiedlich, okay, ich habe jetzt keine Werte reingeschrieben.

Bei den Strompulsen wird der Spannungsregler richtig viel Spaß haben. Die 10µF sind absolut viel zu wenig. Da brauchst du ne größere Batterie an schnellen Elkos mit niedrigem Innenwiderstand um die Pulse aufzufangen. Aus dem Grund habe ich meine 10 PWM-Kanäle phasenmäßig verschoben um eine gleichmäßige Strombelastung zu bekommen.

durch die eine LED 700mA bei 3,4V hast du an der Serienschaltung 6W Verlustleistung, davon entstehen am Linearregler etwa 5W! Auch wenn der Regler den Strom liefern kann, das Problem ist die Verlustleistung. LDO oder nicht ist hier auch egal. Man könnte es vielleicht so machen, mit TO220 oder größer und großem Kühlkörper ... aber zeitgemäß ist es nicht und der Wirkungsgrad ist ... naja miserabel. Bei VCC 12V wirst du wohl nicht an einer Schaltreglerlösung herum kommen.

Wenn du mit Vorwiderständen arbeiten willst, dann sehe ich nur eine Lösung ...

Du nimmst nen Schaltwandler der am Ausgang eine Spannung liefert die nur wenig (0,2-0,3V) über der Durchlaßspannung der blauen/weißen-LEDs liegt (die höchste Spannung der 4 LEDs). Für diese Spannung berechnest du die Vorwiderstände der einzelnen LEDs. Und gut mit Elkos puffern.

Wenn du statt der LM1117 (Lineare Spannungsregler) welche nimmst die dir den Strom konstant halten, dann wirst du auch bei denen bei zu hohen PWM-Frequenzen richtig Probleme beim Ausregeln des LED-Stroms bekommen. Im Aus-Zustand regeln die voll durch und müssen beim Einschalten der LED möglichst schnell auf den LED-Strom runterdrosseln und sich einschwingen. Da kannst du nach dem Regler auch keine Kondensatoren reinbauen um was abzupuffern oder zu beruhigen weil die richtig schöne Stromspitzen in den LEDs erzeugen würden (Entladekurve von Vcc auf Vled).

In der Elrad oder Elektor haben die mit ner elektronischen Last und nem Rechteckgenerator immer das Regelverhalten von Netzteilen getestet. Die haben dann aber immer zwischen 50%/100% geschaltet und nicht zwischen 0%/100% wie bei den LEDs

Gruß
Dino

 

[LotadaC]

...so würde ich es machen. Dafür würden die LM3402/3404 gehen. Die PWM-Frequenz darf aber nicht zu hoch sein. 100-400Hz würde ich anstreben. Nicht mehr da der Regler sonst keine Zeit hat den Strom wieder einzustellen. Er taktet ja auch "nur" mit einigen zig Kilohertz....

Das Problem dabei ist der eingesetzte PCA...

Each LED output has its own 8-bit resolution (256 steps) fixed frequency IndividualPWM controller that operates at 97kHz with a duty cycle that is adjustable from 0% to 99.6% to allow the LED to be set to a specific brightness value.

Meinen die damit die PWM-Frequenz, oder die Taktrate des PWM-Timers?
Eigentlich könnte man (wegen dem TWI) auch einen Tiny statt des PCA einsetzen, der dann die gewünschte PWM-Frequenz für die 4 Kanäle generiert. Reicht ja auch in SW. Womit wir wieder bei den üblichen Zwergen wären: Tiny13, wenn man das Zweidrahtinterface in Software implementieren will, oder Tiny25/45/85, der zumindest USI hätte. Da reicht dann sicher der kleinste (25).

 

[dino03]

Hallo,

* 256-step (8-bit) linear programmable brightness per LED output varying from fully off (default) to maximum brightness using a 97 kHz PWM signal

* 256-step group brightness control allows general dimming (using a 190 Hz PWM signal) from fully off to maximum brightness (default)

* 256-step group blinking with frequency programmable from 24 Hz to 10.73 s and duty cycle from 0 % to 99.6 %

Minimum pulse width for LEDn Brightness Control is 40 ns.
Minimum pulse width for Group Dimming is 20.48µs.

also wie ich das verstehe läuft das PWM der 4 Kanäle mit 97kHz PWM-Frequenz am Ausgang.
Siehe 7.8 "Individual brightness control with group dimming/blinking"

Gruß
Dino