{"id":61,"date":"2021-01-25T23:57:29","date_gmt":"2021-01-25T22:57:29","guid":{"rendered":"http:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-di-lichtorgel-469\/?page_id=61"},"modified":"2021-01-25T23:57:29","modified_gmt":"2021-01-25T22:57:29","slug":"gruppe-4-led-treiber","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-di-lichtorgel-469\/gruppe-4-led-treiber\/","title":{"rendered":"Gruppe 4: LED Treiber"},"content":{"rendered":"\n

LED Treiber<\/h1>\n\n\n\n

Einleitung<\/h2>\n\n\n\n

Es werden ein LED Treiber, sowie eine Ansteuerung f\u00fcr diesen ben\u00f6tigt.
\nDie LEDs in dieser Schaltung werden mit einem PWM (Pulse-width-modulation) Signal angesteuert. Dadurch entsteht die M\u00f6glichkeit, die LEDs zu dimmen.
\n<\/p>\n\n\n\n

Konzept<\/h2>\n\n\n\n

Das PWM Signal wird erzeugt, indem eine Gleichspannung und eine Dreieck Spannung verglichen werden.
\nJe nach Intensit\u00e4t des Eingangssignal hat das PWM Signal einen geringeren oder gr\u00f6\u00dferen Tastgrad, dadurch wird die Helligkeit der LEDs ge\u00e4ndert.
\nDas Dreieck Signal wird einmal generiert und anschlie\u00dfend f\u00fcr alle 3 LED Farben verwendet. F\u00fcr jede Farbe (rot, gr\u00fcn, blau) kommt ein Eingangssignal \u00fcber den Busstecker, das jeweils an einen eigenen Gleichrichter gef\u00fchrt wird. F\u00fcr jedes Farbsignal gibt es einen Komparator, der als Ausgangssignal das entsprechende PWM Signal zur Ansteuerung hat.
\nDie PWM Signale werden an das Gate eines n-Mosfet geschaltet, die damit den Mosfet steuern. Der nMos liefert den Strom f\u00fcr die die LEDs.
\nDie LEDs werden, mit entsprechenden Vorwiderst\u00e4nden, auf seperate Platinen gel\u00f6tet und au\u00dfen am Geh\u00e4use befestigt. Das Ausgangssignal des nMos wird f\u00fcr jede LED \u00fcber den Busstecker an die Busplatine geleitet. Voraussichtlich wird von dort ein Stecker an die LED Platinen geleitet.
\n<\/p>\n\n\n\n

Schaltungsentwurf<\/h2>\n\n\n\n

Die gel\u00e4ufigste 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 f\u00fcr die Schaltung erzeugt werden. Dies ist \u00fcber einen Spannungsteiler m\u00f6glich.
Durch Ver\u00e4nderung des Spannungsteilers kann der Offset des Dreiecks ge\u00e4ndert 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 gew\u00e4hrleisten, wird ein Potentiometer statt des Spannungsteilers eingebaut. Beim Integrator wird wieder ein Spannungsteiler genutzt um einen 5V Offset zu erzeugen und Symmetrie zu gew\u00e4hrleisten.
<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Abb. 1: Schaltplan Dreieck-Rechteck Generator<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Als Gleichrichter wird eine Diode genutzt, die die negative Halbwelle des Sinuseingangssignals sperrt, sowie ein RC-Tiefpass, der das Signal gl\u00e4ttet. 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 Gl\u00e4ttungskondensator.
Diese Schaltung wird dreimal ben\u00f6tigt, f\u00fcr die verschiedenen Eingangssignale, die aus der Filterschaltung kommen.
<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Schaltplan Gleichrichter<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Dimensionierung<\/strong>
\nDer Widerstand R<\/em>11<\/sub><\/span> beeinflusst die Amplitude des Dreiecks. Das muss so gew\u00e4hlt werden, dass sich das Dreieck im Bereich der gleichgerichteten Spannung bewegt. Mit R<\/em>11<\/sub><\/span>=47k\u03a9<\/em><\/span> hat man eine Amplitude von ca. 4.8V<\/em>p<\/em>p<\/em><\/span>.
\nDer Widerstand R<\/em>13<\/sub><\/span> hat einen Einfluss auf die Amplitude des Rechtecks und damit auf die Frequenz des Dreiecks. Bei dem aktuellen Widerstand, R<\/em>13<\/sub><\/span>=330k\u03a9<\/em><\/span> hat das Dreieck eine Frequenz von rund 880H<\/em>z<\/em><\/span>.Dadurch ist garantiert, dass das PWM Signal eine Frequenz hat, bei der das Auge kein Flackern sehen kann.
\nDer Spannungsteiler, bestehend aus R<\/em>14<\/sub><\/span> und R<\/em>19<\/sub><\/span> am nicht invertierenden Eingang des Integrator, sorgt bei gleichen Werten (hier 100k\u03a9<\/em><\/span>), f\u00fcr ein symmetrisches Dreieck.
\nDer Widerstand R<\/em>15<\/sub><\/span> wird parallel zum Potentiometer an Ground geschaltet. Dadurch gibt es die M\u00f6glichkeit, einen normalen Spannungsteiler zu nutzen, falls es zu schwierigkeiten mit dem Potentiometer auf der Platine kommt. Falls der Spannungsteiler nicht ben\u00f6tigt wird, kann er mit einem 1k\u03a9<\/em><\/span> Widerstand best\u00fcckt werden, nicht 100k\u03a9<\/em><\/span>.
\n<\/p>\n\n\n\n

Bauteile<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Bauteil<\/th>Wert<\/th>Bauteil<\/th>Wert<\/th><\/tr><\/thead>
R<\/em>1<\/sub><\/span><\/td>100k\u03a9<\/em><\/span><\/td>C<\/em>1<\/sub><\/span><\/td>100nF<\/em><\/span><\/td><\/tr>
R<\/em>2<\/sub><\/span><\/td>100k\u03a9<\/em><\/span><\/td>C<\/em>2<\/sub><\/span><\/td>100nF<\/em><\/span><\/td><\/tr>
R<\/em>3<\/sub><\/span><\/td>100k\u03a9<\/em><\/span><\/td>C<\/em>3<\/sub><\/span><\/td>100nF<\/em><\/span><\/td><\/tr>
R<\/em>4<\/sub><\/span><\/td>10k\u03a9<\/em><\/span><\/td>C<\/em>4<\/sub><\/span><\/td>1\u03bc<\/em>F<\/em><\/span><\/td><\/tr>
R<\/em>5<\/sub><\/span><\/td>10k\u03a9<\/em><\/span><\/td>C<\/em>5<\/sub><\/span><\/td>100nF<\/em><\/span><\/td><\/tr>
R<\/em>6<\/sub><\/span><\/td>150k\u03a9<\/em><\/span><\/td>C<\/em>6<\/sub><\/span><\/td>100nF<\/em><\/span><\/td><\/tr>
R<\/em>7<\/sub><\/span><\/td>10k\u03a9<\/em><\/span><\/td>C<\/em>7<\/sub><\/span><\/td>10\u03bc<\/em>F<\/em><\/span><\/td><\/tr>
R<\/em>8<\/sub><\/span><\/td>10k\u03a9<\/em><\/span><\/td>C<\/em>8<\/sub><\/span><\/td>100nF<\/em><\/span><\/td><\/tr>
R<\/em>9<\/sub><\/span><\/td>150k\u03a9<\/em><\/span><\/td>C<\/em>9<\/sub><\/span><\/td>10\u03bc<\/em>F<\/em><\/span><\/td><\/tr>
R<\/em>10<\/sub><\/span><\/td>10k\u03a9<\/em><\/span><\/td>C<\/em>10<\/sub><\/span><\/td>10\u03bc<\/em>F<\/em><\/span><\/td><\/tr>
R<\/em>11<\/sub><\/span><\/td>47k\u03a9<\/em><\/span><\/td>C<\/em>11<\/sub><\/span><\/td>10nF<\/em><\/span><\/td><\/tr>
R<\/em>12<\/sub><\/span><\/td>100k\u03a9<\/em><\/span><\/td>C<\/em>12<\/sub><\/span><\/td>1\u03bc<\/em>F<\/em><\/span><\/td><\/tr>
R<\/em>13<\/sub><\/span><\/td>330k\u03a9<\/em><\/span><\/td>D<\/em>1<\/sub><\/span><\/td>1N4148<\/td><\/tr>
R<\/em>14<\/sub><\/span><\/td>100k\u03a9<\/em><\/span><\/td>D<\/em>2<\/sub><\/span><\/td>1N4148<\/td><\/tr>
R<\/em>15<\/sub><\/span><\/td>1k\u03a9<\/em><\/span><\/td>D<\/em>3<\/sub><\/span><\/td>1N4148<\/td><\/tr>
R<\/em>16<\/sub><\/span><\/td>10k\u03a9<\/em><\/span><\/td>Q<\/em>21<\/sub><\/span><\/td>BS170<\/td><\/tr>
R<\/em>17<\/sub><\/span><\/td>150k\u03a9<\/em><\/span><\/td>Q<\/em>31<\/sub><\/span><\/td>BS170<\/td><\/tr>
R<\/em>18<\/sub><\/span><\/td>100k\u03a9<\/em><\/span><\/td>Q<\/em>41<\/sub><\/span><\/td>BS170<\/td><\/tr>
R<\/em>19<\/sub><\/span><\/td>100k\u03a9<\/em><\/span><\/td><\/td><\/td><\/tr>
I<\/em>C<\/em>1<\/sub><\/span><\/td>TL072<\/td>I<\/em>C<\/em>2<\/sub><\/span><\/td>TL074<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n

Testung und Aufbau der Schaltung<\/h2>\n\n\n\n

Simulation<\/h3>\n\n\n\n

Bevor die Schaltung mit realen Bauteilen aufgebaut wird, wird die in LT Spice simuliert. Abbildung 2 zeigt den in LT Spice aufgebauten Schaltplan.
<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 2: LT Spice Schaltplan<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
\"\"
Abb. 3: LT Spice Simulation Gleichrichter<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

In Abbildung 3 sieht man eine Simulation der Gleichrichter Schaltung. Das Eingangssignal ist ein Sinus mit f=10Hz<\/em><\/span>, Vpp<\/em>\u2004=\u20041V<\/em><\/span> 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 gew\u00fcnscht.
<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Abb. 4: Simulation PWM<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Steckbrettaufbau<\/h3>\n\n\n\n

Nach erfolgreicher Simulation kann die Schaltung zum Testen auf ein Steckbrett gebaut werden.
\n<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Abb. 5: Steckbrett IC mit Dreieck Generator, Komparator und LED<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Abbildung 5 zeigt einen Teil des Steckbrett Aufbaus. 2 der Operationsverst\u00e4rker am IC wurden f\u00fcr 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 gef\u00fchrt.
In diesem Bild ist nur der einfache Spannungsteiler, kein Potentiometer f\u00fcr 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.
<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Abb. 6: Steckbrett Aufbau Gleichrichter<\/span><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

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 f\u00fcr 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 gew\u00fcnscht, die LED leuchten, wenn es ein Eingangssignal gibt und ist aus, wenn es keins gibt.
<\/p>\n\n\n\n

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Abb. 7: Oszilloskop Gleichrichter<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
\"\"
Abb. 8: Oszilloskop PWM Signal<\/figcaption><\/figure>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

LED Treiber Einleitung Es werden ein LED Treiber, sowie eine Ansteuerung f\u00fcr diesen ben\u00f6tigt. Die LEDs in dieser Schaltung werden mit einem PWM (Pulse-width-modulation) Signal angesteuert. Dadurch entsteht die M\u00f6glichkeit, die LEDs zu dimmen. Konzept Das PWM Signal wird erzeugt, indem eine Gleichspannung und eine Dreieck Spannung verglichen werden. Je nach Intensit\u00e4t des Eingangssignal hat […]<\/p>\n","protected":false},"author":123,"featured_media":0,"parent":0,"menu_order":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-di-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/61"}],"collection":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-di-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/pages"}],"about":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-di-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/types\/page"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-di-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/users\/123"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-di-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=61"}],"version-history":[{"count":2,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-di-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/61\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":63,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-di-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/61\/revisions\/63"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ws20-di-lichtorgel-469\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=61"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}