LED Treiber
Einleitung
Es werden ein LED Treiber, sowie eine Ansteuerung für diesen benötigt.
Die LEDs in dieser Schaltung werden mit einem PWM (Pulse-width-modulation) Signal angesteuert. Dadurch entsteht die Möglichkeit, die LEDs zu dimmen.
Konzept
Das PWM Signal wird erzeugt, indem eine Gleichspannung und eine Dreieck Spannung verglichen werden.
Je nach Intensität des Eingangssignal hat das PWM Signal einen geringeren oder größeren Tastgrad, dadurch wird die Helligkeit der LEDs geändert.
Das Dreieck Signal wird einmal generiert und anschließend für alle 3 LED Farben verwendet. Für jede Farbe (rot, grün, blau) kommt ein Eingangssignal über den Busstecker, das jeweils an einen eigenen Gleichrichter geführt wird. Für jedes Farbsignal gibt es einen Komparator, der als Ausgangssignal das entsprechende PWM Signal zur Ansteuerung hat.
Die PWM Signale werden an das Gate eines n-Mosfet geschaltet, die damit den Mosfet steuern. Der nMos liefert den Strom für die die LEDs.
Die LEDs werden, mit entsprechenden Vorwiderständen, auf seperate Platinen gelötet und außen am Gehäuse befestigt. Das Ausgangssignal des nMos wird für jede LED über den Busstecker an die Busplatine geleitet. Voraussichtlich wird von dort ein Stecker an die LED Platinen geleitet.
Schaltungsentwurf
Die geläufigste Methode ein PWM Signal zu erzeugen, ist durch das verschalten von Dreieck Spannung und Gleichspannung an einen Komparator. Ein Dreieck Signal kann mit einem Dreieck-Rechteck Generator erzeugt werden. Dieser besteht aus einem Schmitt-Trigger, sowie einem Integrator siehe Abb. 1.
Da die gesamte Schaltung im Single Supply mit 10V Eingangsspannung betrieben wird, muss ein 5V Offset für die Schaltung erzeugt werden. Dies ist über einen Spannungsteiler möglich.
Durch Veränderung des Spannungsteilers kann der Offset des Dreiecks geändert werden, sodass es im Zweifelsfalls auch an das Eingangssignal angepasst werden kann. Das Dreieck muss so verschoben werden, dass bei einer Spannung von 5V (kein Eingangssignal), auch kein PWM Signal erzeugt wird.
Um diese Funktion beim testen zu gewährleisten, wird ein Potentiometer statt des Spannungsteilers eingebaut. Beim Integrator wird wieder ein Spannungsteiler genutzt um einen 5V Offset zu erzeugen und Symmetrie zu gewährleisten.
Als Gleichrichter wird eine Diode genutzt, die die negative Halbwelle des Sinuseingangssignals sperrt, sowie ein RC-Tiefpass, der das Signal glättet. Da die Eingangssignale um 5V zentriert sind, muss auch hier wieder ein virtueller Ground von 5v erzeugt werden. Das geschieht mit einem Spannungsteiler sowie einem Glättungskondensator.
Diese Schaltung wird dreimal benötigt, für die verschiedenen Eingangssignale, die aus der Filterschaltung kommen.
Dimensionierung
Der Widerstand R11 beeinflusst die Amplitude des Dreiecks. Das muss so gewählt werden, dass sich das Dreieck im Bereich der gleichgerichteten Spannung bewegt. Mit R11=47kΩ hat man eine Amplitude von ca. 4.8Vpp.
Der Widerstand R13 hat einen Einfluss auf die Amplitude des Rechtecks und damit auf die Frequenz des Dreiecks. Bei dem aktuellen Widerstand, R13=330kΩ hat das Dreieck eine Frequenz von rund 880Hz.Dadurch ist garantiert, dass das PWM Signal eine Frequenz hat, bei der das Auge kein Flackern sehen kann.
Der Spannungsteiler, bestehend aus R14 und R19 am nicht invertierenden Eingang des Integrator, sorgt bei gleichen Werten (hier 100kΩ), für ein symmetrisches Dreieck.
Der Widerstand R15 wird parallel zum Potentiometer an Ground geschaltet. Dadurch gibt es die Möglichkeit, einen normalen Spannungsteiler zu nutzen, falls es zu schwierigkeiten mit dem Potentiometer auf der Platine kommt. Falls der Spannungsteiler nicht benötigt wird, kann er mit einem 1kΩ Widerstand bestückt werden, nicht 100kΩ.
Bauteile
| Bauteil | Wert | Bauteil | Wert |
|---|---|---|---|
| R1 | 100kΩ | C1 | 100nF |
| R2 | 100kΩ | C2 | 100nF |
| R3 | 100kΩ | C3 | 100nF |
| R4 | 10kΩ | C4 | 1μF |
| R5 | 10kΩ | C5 | 100nF |
| R6 | 150kΩ | C6 | 100nF |
| R7 | 10kΩ | C7 | 10μF |
| R8 | 10kΩ | C8 | 100nF |
| R9 | 150kΩ | C9 | 10μF |
| R10 | 10kΩ | C10 | 10μF |
| R11 | 47kΩ | C11 | 10nF |
| R12 | 100kΩ | C12 | 1μF |
| R13 | 330kΩ | D1 | 1N4148 |
| R14 | 100kΩ | D2 | 1N4148 |
| R15 | 1kΩ | D3 | 1N4148 |
| R16 | 10kΩ | Q21 | BS170 |
| R17 | 150kΩ | Q31 | BS170 |
| R18 | 100kΩ | Q41 | BS170 |
| R19 | 100kΩ | ||
| IC1 | TL072 | IC2 | TL074 |
Testung und Aufbau der Schaltung
Simulation
Bevor die Schaltung mit realen Bauteilen aufgebaut wird, wird die in LT Spice simuliert. Abbildung 2 zeigt den in LT Spice aufgebauten Schaltplan.
In Abbildung 3 sieht man eine Simulation der Gleichrichter Schaltung. Das Eingangssignal ist ein Sinus mit f=10Hz, Vpp = 1V und 5V DC-Offset. Man sieht, dass der Sinus ziemlich glatt gleichgerichtet wird. Das gleichgerichtete Signal ist nur etwas kleiner, als das Eingangssignal.
Die Grafik Abb. 4 zeigt das Dreieck Signal, das gleichgerichtete Signal sowie das resultierende PWM Signal. Auch diese funktionieren in der Simulation wie gewünscht.
Steckbrettaufbau
Nach erfolgreicher Simulation kann die Schaltung zum Testen auf ein Steckbrett gebaut werden.
Abbildung 5 zeigt einen Teil des Steckbrett Aufbaus. 2 der Operationsverstärker am IC wurden für den Dreieck Rechteck Generator genutzt (links oben und rechts oben). Der OPV rechts unten wurde als Komparator verschaltet. An den Komparator wird das Ausgangssignal der Gleichrichter Schaltung geführt.
In diesem Bild ist nur der einfache Spannungsteiler, kein Potentiometer für den Offset des Dreieckssignals verschaltet. In dem Bild ist auch noch kein Mosfet verschaltet, lediglich der Vorwiderstand der Diode. Bei einer LED reicht der Strom es OPV aus. Beides wurde aber auch auf dem Steckbrett getestet und funktioniert.
In Abbildung 6 ist der Steckbrettaufbau der Gleichrichterschaltung zu sehen.
Die Testschaltung wurde mit 10V DC in Betrieb genommen und hat ein Sinus Eingangssignal mit einem 5C DC Offset erhalten. Abbildung 7 zeigt das Sinussignal (lila) sowie das gleichgerichtete Signal. Es ist nicht exakt gleichgerichtet, aber für die Schaltung glatt genug.
In Abbildung 8 widr die Oszikkoskop Messung des PWM Signal dargestellt. Channel 2 zeigt das 3-Eck Signal, Channel 4 weiter das gleichgerichtete Signal und auf Channel 1 wird das Ausgangssignal des Komparators gemessen.
Die Schaltung funktioniert wie gewünscht, die LED leuchten, wenn es ein Eingangssignal gibt und ist aus, wenn es keins gibt.
