Gepulste Ansteuerung von LEDs

    Servus,
    Ich arbeite immer noch an meiner Thesis und brauch nochmal n bissle Hilfe.
    Ich möchte eine LED (Standart LED 5mm weiß) mit einem PWM signal ansteuern, um herauszufinden ob es möglich ist dadurch Energie im Vergleich zur konstanten Bestromung einzusparen.
    Mein Prof meinte ich solle dabei die Temperaturschwankungen der gepulsten LED nutzen um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen. Die Frage die sich stellt ist, wie ich das Ganze jetzt Messen und darstellen kann.
    Folgende Schaltung habe ich mal aufgebaut und die LEDs mal mit F=1kHz zum "blinken" gebracht.
    Ich gebe ein Rechtecksignal auf den Transistor (so, dass nur ein positiver Strom fließt, weil der Transistor keine negativen Ströme schalten kann) und Messe mit dem Tastkopf vom Oszi und ner Stromzange die Spannung und den Strom an der LED.
    Was ich bekomme sind saubere Rechtecksignale, sowohl vom Tastkopf als auch von der Stormzange. (Soll ja auch so sein!)
    Jetzt die Frage: Wie kann ich die Temperaturschwankung anhand dieser Signale sichtbar machen und zeigen dass ich so Energie einsparen kann?
    Ich weiss des is vielleicht bissle kompliziert, aber ich komm grad irgendwie ned so recht weiter und weiss auch gar ned so recht wie ich des machen soll.
    Kommentare, Kritik, Anregungen usw. erwünscht.


    MfG
    und Danke schonmal vorab

    Hi,


    gute Frage, das kann ich leider nicht so leicht beantworten wie man da die Temperaturschwankungen sichtbar machen kann.


    Aber da es hier anscheinend um Energieeinsparung geht. Warum benutzt Du dann keinen Mosfet? Bei Deinem Transistor wird ja momentan noch ein wenig Energie in der Basis-Emitter Stecker verbraten. Mit einem Mosfet könntest das noch weiter reduzieren.
    Dann stellt sich noch die Frage der hohen PWM Frequenz. Desto höher diese ist, desto mehr Energie wird unnötig verbraten.



    Gruß, Benny.

    Dir ist schon bewusst, dass wir hier von recht geringen einsparungen reden?
    bei HP LED's reden wir hier von 5-10% (bei Tj~70-100°C) gegenüber Tj=25°C.
    Das ist schon recht wenig um das mit hobby-mitteln gut zu messen.


    Eine recht einfache möglichkeit würde wohl bestehen nur die relation zu nutzen.


    Also mit einem LDR die relative intensität messen. Vorteilhaft hier mit einem DSO arbeiten!!! (DigitalStorageOszilloscop)
    Wenn da was messbar ist, dann sollte der rechteck den man am LDR misst nicht ganz rechteckig sein, sondern abgeschrägt, da ja Tj beim pulsdurchlauf ansteigt. Diese kurvenform nun in relation zur dauer betriebenen LED setzen.
    Die Grafische auswertung würde ich dir hier empfehlen. Da kannst du durchs ausgleichkurven setzen fehler minimieren. Gut kommen ganz sicher auch fehlerberechnungen, ob du mit so einer messmethode überhaupt sinnvolle ergebnisse bzw aussagen treffen kannst.



    Eine andere möglichkeit ist über Vf Tj zu bestimmen. Hier müsste man aber erst eine referenzkurve aufnehmen, oder dem Datenblatt vertrauen. Hier nimmt man am besten ganz kurze nicht zu starke pulse bei denen man Vf misst und somit auf Tj rückschliesen kann (aufgrund der vorher aufgenommenen Kurve, wo man die Vf bei definierten temperatiuren gemessen hat). Am besten ebenfalls grafisch auswerten.




    Unterm strich halte ich das aber für etwas erbsenzählerei...





    Gruß, Max

    Zitat von RDK

    Ich möchte eine LED (Standart LED 5mm weiß) mit einem PWM signal ansteuern, um herauszufinden ob es möglich ist dadurch Energie im Vergleich zur konstanten Bestromung einzusparen.

    Dazu brauchst du den Versuch eigentlich nicht durchzuführen.
    Ein Blick in jedes beliebige LED-Datenblatt zeigt, je höher der Strom umso schlechter ist der Wirkungsgrad der LED.
    Wenn man mit der PWM die gleiche Helligkeit erzielen will, wie mit dem Dauerstrom, muss man also den Strom entsprechend erhöhen, was folglich zu schlechterer Effizienz führt.


    Die Temperatur zu messen ist auch extrem schwierig, weil das ja der Hauptnachteil der 5mm LEDs ist, dass sie die Temperatur nicht ordentlich nach außen abführen.

    Hi,
    Klaro, Mosfet wäre besser, aber darum gehts mir, bzw. dem Prof nicht.
    Es geht nur um den Wirkungsgrad an der LED.
    die gesamte Peripherie kann man dann immer noch optimieren (soll mein Nachfolger in der nächsten Thesis machen ;) )


    Kann sein dass es mit HP LEDs auch klappt, weiß ich nicht.
    Laut Prof, klappts, unabhängig davon welche LED.
    Wenn man dann raus bekommt dass es sich bei der Einsparung nur um 2 oder 3 % handelt lässt man es natürlich auch weg.
    Macht ja keinen Sinn, diese 2-3% in der Schaltung für die Ansteuerung zu verbraten.
    Trotzdem muss ich die Messung machen, weil verlangt! Ob sinnvoll oder nicht, ist egal!


    Sonst noch Ideen?

    wenn du nicht das hyper equipment zur hand hast ist die flussspannung dein einziger "zugang" zum chip und damit der temp.
    Übers gehäuse oder so ist auch bei ner HP LED zu langsam.


    Mach doch für den ersten test mal folgendes:


    PWM auf ein gutes rechteck einstellen (konstante Spannung!). Mit einem eingebauten Strommesswiderstand kannst du dir dann mal angucken wie sich das ganze in bezug auf pulsdauer etc etc verhält.
    Das wird dir helfen ein qualitatives gefühl zu bekommen in welcher größenordnung wir hier spielen.
    Als vergleich kanst du z.B. dann mal das ganze mit DC vergleichen um dann mal die Leistungsdifferenz zu bestimmen.
    Und schnapp dir ein gutes DSO! das erleichtert die auswertung ungemein!


    Und nimm nur LED's bekannter hersteller, die ein gutes Datenblat zur verfügung stellen! Du wirst nicht ganz drum rum kommen evt dich auf so eines zu berufen.




    petri03, das ist nicht so ganz richtig. die 5mm hat sicher eine chiptemp von 100°C (bei voller bestromung). NUr weil die außen nich so warm werden heißt das nich, dass die innen genauso cool sind ;)



    Andy_keh, das ist so auch nicht so ganz richtig. Die Effizienz hängt hauptsächlich von der Chip-temperatur ab. Und diese ist gekoppelt an den Strom.


    Interessant wäre vll einfach 2 LED's nebeneinander zu machen und eine mit PWM und die andere mit CC (ConstantCurrent) zu betreiben. den PWM dann so abregeln, dass beide LED's subjektiv gleich hell sind. Und dann mit dem oszilloskop messen. Dann hat man eine subjektive qualitative aussage was effizienter ist. Dann guckt man wie man weiter vorgeht.



    Gruß, Max

    Erstmal vorweg dürfte die thermische Trägheit des Chips so groß sein, dass man wahrscheinlich gar keinen Unterschied zwischen dauernd bestromter LED und gepulster LED hat.
    Aber zum Thema: in direktem Kontakt lässt sich die Temperatur ja nicht messen, was aber ja auch wieder viel zu langsam wäre. Du brauchst also eine berührungslose Messmethode mit einem möglichst schnellen Infrarotsensor. Da müsstest du dich mal umschauen, ob es ausreichend schnelle gibt. Pyroelektrische Sensoren dürften jedenfalls ausscheiden, weil die auch warm werden müssen. Für Bewegungsmelder reicht's, aber sonst...

    Servus,
    Also, ich habe mal eine wenig gemessen und die Rechteck-Spannung an der LED und den Strom mit einer Stromzange auf dem Oszi sichtbar gemacht.
    Jetzt isses ja so dass die Multiplikation der beiden Pulse (Strom und Spannung) eine Fläche ergeben die der Leistung der LED entspricht. Integriert man diese Fläche auf die gesamte Periodendauer bekommt man den Wert für die Leistung.
    Bei mir kommen da bei 50% Pulsbreite so ca. 6,7 mW raus. (Kann des überhaupt sein?) Weil eine normale LED hat ja:
    20mA*3,2V = 0,064 Watt
    also 64mW, oder nicht?


    Falls es jemand nochmal nachrechnen könnte wäre ich sehr dankbar:
    Nochmal die Daten:
    10mA pro Einheit auf dem Oszi
    F=1kHz
    Die beiden multiplizierten Flächen ergeben laut Oszi:
    13,53 Einheiten²
    bei einer Pulsbreite von 50%
    Jetzt das Ganze auf 100% gerechnet ist doch 6,765
    Also 6,765 mW ?!?!?! kommt mir irgendwie wenig vor für 50%
    Pulsbreite.


    Noch was:
    Gemessen habe ich mit F=1kHz
    Was hierbei interessant ist, ist die Tatsache dass die Spannung zu beginn jedes Impulses für ca. 200us leicht (um ca. 0,2 V) abfällt. D.h. der Chip der LED erwärmt tatsächlich das Gehäuse mit der angegebenen Frequenz.
    Gehe ich mit der Frequenz nach oben z.B. 5kHz verschwindet dieser Effekt langsam. D.h. die Diode ist zu schnell getaktet als dass sie sich wieder abkühlen könnte.

    also irgendwas stimmt bei deinen daten nicht... wenn du die beiden flächen multiplizierst kann kein strom allein rauskommen... normalerweise müßte die eigangsleistung wenn du den strom auf 20mA begrenzt und die spannung konstantbleibt und die pulsdauer 50% beträgt, 50% der dauerleistung sein.
    und nochmal ne frage... kannst du vielleicht mal ein bild vom oszi reinstellen wo man den spannungsabfall erkennen kann?

    Also ich versteh aus deiner Beschreibung auch nicht so ganz, was du da für Flächen zusammenmultipliziert hast, aber stimmen kann es auf jeden Fall nicht.


    Wenn du auf deinem Oszi zwei zeitabhängige 'Kurven' hast, also ein Kanal für die Vorwärtsspannung und am anderen der LED-Strom, dann kannst du folgende Formel verwenden, um die mittlere, verbrauchte Leistung zu berechnen:

    Dabei ist T die PWM-Periode und Delta-t ist T/n. Du unterteilst also T in n diskrete Zeitabschnitte (n sinnvoll wählen) und bestimmst für jedes t(n) die mittlere Spannung bzw. den mittleren Strom. Der Rest ergibt sich dann aus der Formel ;) . Wie gesagt ist n sinnvoll zu wählen. Bei einer 50%-Rechteck-Schwingung und wenn innerhalb eines Pulses die Werte einigermassen konstant sind, dann kann n durchaus auch nur 2 betragen ;) . Ansonsten ist natürlich die Berechnung um so genauer, je grösser n ist. Wenn du übrigens nur die Summe bildest und nicht durch die Periode teilst, dann bekommst du als Ergebnis die während einer Periode verrichtete, elektrische Arbeit (Ws) bzw. die verbrauchte Energie.


    Gruss
    Neni


    EDIT: Gekürzt ergibt die Formel natürlich (wie könnte es auch anders sein ;) ) -> SUMME(I von t(n) x U von t(n)) / n

    (Ich glaube trotzdem nicht, dass der Effekt durch eine Erwärmung hervorgerufen werden soll.)
    Aber zum Thema: waren das 20mA-Pulse und 3,2V-Pulse? Dann ist was an der Auswertung falsch. Oder der Umwandlungsfaktor von der Strommesszange von Strom in Spannung (was das Oszi anzeigt) stimmt nicht oder wurde nicht berücksichtigt.

    @christian9992
    Klaro, mach ich.
    Hatte nur heute kein Foto zur Hand und n Handybild is zu schlecht.
    @Mirfaelltkeinerein
    Ja, war blöd geschrieben von mir.
    20mA bei 3,2V konstant, nicht gepulst!
    @synvox
    Naja, die Flächen der Pulse. Einmal die Fläche des Pulses von der Spannung an der LED und einmal die Fläche des Pulses vom Strom durch die LED.
    Die miteinander multipliziert ergeben die Leistung. Allerdings muss ich diese Leistung eben noch auf 100% Pulsbreite "verteilen".


    Des mit der Summe und der verbrauchten Energie (Ws) ist n guter Tip....Danke!


    Grüße

    Moin!
    Im Anhang mal das gewünschte bild vom Oszi.
    Die obere Kurve zeigt den Spannungspuls an der Diode (500mV pro Kästchen).
    Die untere Kurve bildet den Strom durch die LED ab (5mV pro Kästchen...Hierbei gilt: 1mV = 1mA).
    Zeit pro Kästchen ist: 100us
    Es ist insgesamt eine Peride abgebildet.
    Den Trigger habe ich um 10% Delayed, damit der Puls, mit Breite 50%, auch ganz zu sehen ist.
    F=1kHz
    Man sieht dass bei Pulsbeginn die Spannung ca. 200us lange von ca. 3,4V auf 3,2 V abfällt, was meiner Meinung nach mit der Erwärmung und Abkühlung des Chips der LED zu tun hat.


    Gruss
    rdk

    Um sicher zu gehen, dass du damit recht hast/haben könntest würde ich mal eine niedrigere Frequenz versuchen. Z.b. 500Hz. Dann sollte der Effekt doch noch besser zu erkennen sein. Ebenso evtl mal den Strom halbieren. Das sollte dann für eine langsamere Erwärmung sorgen.
    Im Moment würde ich den Abfall von 3,4 auf 3,2V vorerst nur als normalen Peak betrachten. Wenngleich er durchaus von der Chip-Temperatur abhängig ist. Interessant wäre in diesem Zusammenhang auch mal eine Messung mit zuvor erwärmter bzw. herunter gekühlter Diode.



    Edit:
    Achso und zur Berechnung der Leistung: Eigentlich müsste die Leistung ziemlich genau der Hälfte der Leistung entsprechen, als wenn sie ungepulst betrieben wird. Zumindest rechnerisch..

    für den peak am anfang müssten man wie schon gesgat nähere tests machen. Das können auch effekte von zuleitung und kapazitäten der Dioden etc etc sein. Schwer ganz genau zu sagen...


    Aber zu deinem Problem mit den Kästchen.


    Du hast da glob ich nen kleinen Denkfehler drinn ;) ODer nen rechenfehler.


    Du kannst durchaus die beiden flächen multiplizieren. Damit bekommst du aber W*t² raus. Um auf die mittlere leistung zu kommen musst du dann noch durch T² teilen (t=amplitudendauer, T= periodendauer).
    dann komt bei mir auch das richtige raus.
    Als schönere Variante für beliebeige pulse natürlich entsprechende Integration.


    Dein Fehler ist die rangehensweise. Du hast eine darstellung über der zeit. Sprich U(t) und I(t). beide hängen voneinander ab. Sprich eine Differenzialgleichung die du aus dem stehgreif nich ganz so trivial lösen könntest.
    Allerdings durch die gegebenen werte doch gut machbar.
    Allerdings darfst du nicht die fläche integrieren (das ist nicht so einfach und unnötig), sondern musst nach der Zeit integrieren.
    integrate(U(t)*I(t), 0, T).
    Allerdings würde ich mir bei rechteckpulsen die arbeit sparen und lieber mitm dreisatz rechnen ;)
    Einfach mittlere leistung des pulsen ausrechnen (in dem fall 3,2V*20mA) und mit dem verhältnis von periodendauer T zu High-level teilen (in deinem fall ist das 2... oder umgekehrt mit H/T).



    was mich aber eher interessieren würde. Nimmt man es nun als dunkler wahr, wenn man die LED wie da pulst?
    Du musst auf jeden fall noch die helligkeit der LED mit einbeziehen, sonst bringt das doch alles nichts,...





    Gruß, Max

    Was den kleinen Spannungsabfall angeht (bei 500 mV pro Kästchen würde ich den übrigens aufgrund des Bildes eher von 3,2 auf 3,1 V schätzen, also ein Abfall von 100 mV), würde ich vom Schiff aus da jetzt eher parasitäre Kapazitäten/Induktivitäten (eine LED hat auch eine kleine Kapazität) dafür verantwortlich machen wollen, als irgendwelche Wärmeeffekte zu postulieren. Oder du hast möglicherweise die Kompensation deines Tastkopfes am Oszi nicht richtig eingestellt.


    Bezüglich Flächenmultiplikation:
    Die Fläche, welche ein Puls umspannt, ist ja das Integral der Spannung bzw. des Stromes über die Pulsdauer. Bei perfekten Rechtecken wäre es also Pulsspannung x Pulsdauer bzw. Pulsstrom x Pulsdauer. Wenn du nun beide Flächen einzeln bestimmst und sie mieinander multiplizierst, hast du die Pulsdauer doppelt mit in der Rechnung drin, also -> (Pulsspannung x Pulsdauer) x (Pulsstrom x Pulsdauer) = Pulsspannung x Pulsstrom x Pulsdauer^2 = Pulsleistung x Pulsdauer^2 = Pulsenergie x Pulsdauer. Um von diesem Wert also nun wieder auf die mittlere Leistung während der PWM-Periode zu kommen, musst du diesen zusätzlich nochmals durch die Pulsdauer teilen, also -> Mittlere Leistung = Flächenmultiplikation / (Periodendauer x Pulsdauer) = (Pulsenergie x Pulsdauer) / (Periodendauer x Pulsdauer) = Pulsenergie / Periodendauer. Damit stimmt es dann am Schluss wieder :) .


    Gruss
    Neni


    Edit: Max war schneller ;) .

    so also ich habe mich jetzt nochmal schlau gemacht... leds haben einen positiven temperatur-koeffizienten... hab es gerade auch selber ausprobiert. der strom sinkt bei einem erwärmen der led, also kann dein spannungsabfall keine folge der erwärmung sein!

    nö.. LED's haben eben einen negativen temperaturkoeffizient (steht in jedem DS.. Aculed IR hat beispielsweise -1,1mV/K)
    Und da laut bild der Strom Konstant gehalten wird, sinkt die spannung bei steigender temperatur und gleichem strom ab.


    Rein theoretisch kann dies davon kommen...
    Aber genausogut kann es sich um einschwingvorgänge oder sonst handeln. Rechtecksignale haben sehr schnell ungenaue ecken... Kann viele gründe haben.
    Aufschluss geben nur spezielle messungen dazu.



    Gruß, max