Tiere und PWM

  • Die Parallelschaltung der Elkos wird in Schaltnetzteilen sogar zur Entlastung des einzelnen Elkos und zur Lebensdauerverlängerung genutzt. Der ESR der parallelschaltung ist kleiner als bei einem gleichgroßen Elko und die Oberfläche mehrerer Kleiner ist ebenfalls größer, wodurch sie kühler bleiben und deshalb langlebiger sind.
    Hast du die Funktion deiner Schaltung mal mit einem Oszi. gegengecheckt, wieviel das bringt?

  • Step-Down-Wandler arbeiten mit Schaltfrequenzen von teilweise über 100 kHz, damit sie mit einer Drossel im zwei- bis dreistelligen µH-Bereich auskommen. PWM-Dimmung wird dagegen meist mit einigen 100 Hz gemacht, also über den Daumen Faktor 1000 langsamer. Deine 100 µH-Drossel ist in diesem Frequenzbereich ein glatter Kurzschluss und kann bestenfalls die Schaltflanken minimal verschleifen (wobei der Schaltvorgang von PWM-Dimmern ohnehin sehr langsam ist im Vergleich zu einem Step-Down).


    Filtern würde hier nur die Elkos in Verbindung mit der (hoffentlich vorhandenen) Strombegrenzung des PWM-Dimmers, die dann z.B. bei einem Tastgrad von 10% nur in 10% der Zeit den Ausgangsstrom an den Elko liefert, aus dem dann die LED dann ein Zehntel des Stroms ziehen kann und wird. Deine TC420 ist mit 20 A max. Ausgangsstrom angegeben, der aber offensichtlich nicht begrenzt wird. Die wird dann Stromspitzen im vermutlich dreistelligen A-Bereich in die Elkos hauen, und die Frage ist dann nur noch, ob die Elkos oder die TC420 zuerst zerstört werden...


    EDIT: ...und das "Brummen" (PWM-Frequenz) wird im besten Fall durch ein Sirren ersetzt, da die Stromspitzen sehr oberschwingungsreich sind...

  • Hier zwei Oszillogramme, einmal gemessen am Ausgang des TC420:


    [Blockierte Grafik: http://www.microcharge.de/privat/foren/aquaristik/input.jpg]


    und einmal am Ausgang des Filters:
    [Blockierte Grafik: http://www.microcharge.de/privat/foren/aquaristik/output.jpg]


    Die vertikale Teilung vom verwendeten Oszi-Kanal 1 ist auf dem Drehschalter rechts im Bild ablesbar, damit beträgt die Ausgangswelligkeit etwa 100mV. Allerdings habe ich je Kanal 5 Elkos mit jeweils 470µf eingesetzt, zusammen also etwa 2.400µf und nicht 1.000, wie im Schaltplan eingetragen. Bei 1.000µf würde die Restwelligkeit also bei etwa dem Doppelten liegen. In der Praxis wohl kein Unterschied.


    Dass die 100µH-Drosseln bei 400Hz Rechteck(!) zur Glättung nicht ausreichend wären, bestätigt sich nicht. Die Ringkerne müssen natürlich Reserven aufweisen und dürfen nicht in die Sättigung laufen, was bei 5A-Drosseln und 1,4A Arbeitsstrom pro Kanal aber nicht zu befürchten ist. Ich könnte jetzt noch die Eingangs-Stromkurve über Shunt messen, aber da alles perfekt ist, spare ich mir diese Mühe. Es "sirrt" im übrigen nichts. Auch die Oszillogramme sehen aus wie erwartet.


    Bei 25,5°C Umgebungstemperatur erreicht der TC420 bei ca. 40% dutycycle 27,5°C, bei 100% 30°C. Die Elkos bei 40% 27°C, die Drosseln 30°C. Bei 100% dutycycle sinkt die Temperatur von Elkos und Drosseln um jeweils 1°.


    Edit: Achso - Das Netzteil ist ein MeanWell EPP-150-12, die Last sind 5 LED-Gruppen von je 12V/1,4A/17W (insgesamt also 85W). Es hängt noch eine 12V/10W Bodenheizung mit am Netzteil. Der Netzteil-Wirkungsgrad beträgt bei Volllast erfreuliche 91,5%.


    Grüße, Tom

  • Einen Spannungsverlauf wie im oberen Bild bekommt man (EDIT: bei vollem Eingangsspannungshub) nur bei kontinuierlichem Strom, das ist bei 12V PWM-Eingang, 400 Hz und 100µH ausgeschlossen. Dein oberes Oszillogramm zeigt aber natürlich auch nur <900mV Amplitude, da reicht dann bald der ohmsche Widerstand der Drossel zum Filtern...

  • Was passt denn nicht? Dass die Eingangsspannung des Filters nur um 800mVss (zzgl. negativ-Peak) beträgt und nicht 12Vss-Rechteck, ist bei dem Schaltbild hinter der PWM ja auch nicht anders zu erwarten.


    Die Last verhält sich bei 12V +/- 0,5V nahezu ohmsch. Es handelt sich um jeweils drei weiße LEDs in Reihe, natürlich mit Vorwiderstand. Jeweils zwei dieser Reihenschaltungen sind zu einer Gruppe parallel zusammegeschaltet. Wie man das halt so macht. Konstantstromglieder sind nicht enthalten.


    Der "Tastkopf" sind zwei etwa 2m lange Strippen ohne Spannungsteiler.


    Grüße, Tom

  • Bei wirksamer Drossel müsste die Eingangsspannung des Filters natürlich 12Vss sein (12V bei PWM ein und ~0V bei leitender Freilaufdiode). Ich vermute mal, Du hast so etwas hier:

    Wie man sieht, folgt der Drosselstrom mit nur geringer Anstiegszeit der PWM und klingt nach Ausschalten über die Freilaufdiode so schnell ab, dass Du den Peak auf dem CRT-Bildschirm kaum siehst. Der Elko sieht also praktisch einen gepulsten Rechteckstrom und "mittelt" diesen für die LED, zumindest solange eine nennenswerte Teilspannung am Vorwiderstand abfällt.
    Wenn Du das wirklich mit einem Step-Down vergleichen willst, wäre das einer im extremen Lückbetrieb und damit absolut unüblich. Für Deine Anwendung scheint es ja grob zu funktionieren, Du kannst aber hier keinen linearen Zusammenhang zwischen Duty Cycle und Ausgangsspannung oder -Strom erwarten. Weil sich der Kondensator kaum entlädt, fallen hier die Stromspitzen auch moderat aus, das klappt aber nur so lange, wie die LED-Durchlasspannungen nah genug an der Betriebsspannung sind. Der Einschaltstromstoss bei ungeladenem Elko bleibt auf jeden Fall kritisch.

  • Vielleicht hilft uns ja der hier weiter:


    "Theorie ist, wenn man alles weiß, aber nichts funktioniert. Praxis ist, wenn alles funktioniert aber keiner weiß warum." :thumbsup:


    In diesem Sinne...


    Grüße, Tom


    Achso: Jetzt muss ich doch noch mal editieren:


    Zitat


    Für Deine Anwendung scheint es ja grob zu funktionieren, Du kannst aber hier keinen linearen Zusammenhang zwischen Duty Cycle und Ausgangsspannung oder -Strom erwarten.


    Genau das ist aber anscheinend der Fall, denn morgens um 7.00 Uhr beginnt über diese Schaltung ein Sonnenaufgang, zwischen 13.00 und 15.00 Uhr werden die LEDs mit Volllast betrieben und dann gehts langsam aber sicher bis 23 Uhr wieder abwärts. Der TC420 wird - vermutlich - mit 256 unterschiedlichen DutyCycles arbeiten, das wäre jedenfalls typisch für einen 8bit-Controller. Das bedeutet, bei halbwegs linearer Auslegung beginnt der DutyCycle am Ausgang des TC420 nach der Null (Dunkelheit) mit 0,4%, läuft dann über die Zeit langsam hoch bis 99,6%und endet schließlich mit 100% bei maximaler Helligkeit. Das ist doch schon ziemlich linear! Und der Helligkeitsverlauf hat sich gegenüber dem vorherigen reinen PWM-Betrieb, zumindest bei rein subjektiver Betrachtung, nicht merklich geändert.

  • Die einzige Aussage die MOSFET hier macht ist diese: Alles was du siehst liegt nicht daran, dass du dort eine Spule verbaut hast sondern (fast) NUR an den Elkos. Das hat mit Theorie und Praxis gar nichts zu tun.

  • Also meine Schaltungen funktionieren am besten, wenn ich sie mit Theorie herleiten und begründen kann. Ohne Theorieverständnis wäre ich wohl meinen Job los. Aber ich will Dir das nicht aufdrängen, solange Deine Schaltungen ohne Verständnis funktionieren, werde glücklich damit :thumbsup:

  • Die einzige Aussage die MOSFET hier macht ist diese: Alles was du siehst liegt nicht daran, dass du dort eine Spule verbaut hast sondern (fast) NUR an den Elkos. Das hat mit Theorie und Praxis gar nichts zu tun.


    Dann würde es sich aber quasi um einen Längsregler handeln, weshalb wenigstens bei mittlerem DutyCycle irgendwo ein erheblicher Teil der Gesamtenergie als Verlustwärme anfallen müsste. Aber wo bleibt der? Da der nicht vorhanden ist, sehe ich als einzige Möglichkeit die Verspätung des Stroms durch die Induktivität. Das wäre aber genau das, was die Schaltung machen soll!


    So ähnliche Diskussionen habe ich öfter in meinem eigenen Forum und immer geht es um Induktivitäten. Offenbar habe ich echt keinen Schimmer von sowas. Aber trotzdem funktioniert der Murks, den ich verzapfe, irgendwie immer. Mysteriös. :whistling:


    Grüße, Tom

  • Wieso sollte bei einer Schaltung, die nur positive Spannungen und Kondensatoren aufweist ein "ERHEBLICHER" Teil der Energie verloren gehen? So groß sind die Umladeverluste in einem Kondensator bei 400Hz nun wirklich nicht, außer vielleicht du nimmst einen aus dem Jahre 1745... Und das hat auch mit dem DutyCycle nicht viel zu tun. Ein Kondensator verliert keine (nennenswerte) Energie in diesem Szenario.


    Deine Argumentation ist super :D Das ist wie wenn ich sagen würde:
    Ich habe das Prinzip des Regens verstanden: Immer wenn ich mit einem Regenschirm raus gehe, dann bleibe ich trocken -> Du gehst also immer mit Regenschirm raus, damit du trocken bleibst.


    Dass du manchmal auch ohne Schirm trocken bleiben würdest, weil es einfach nicht regnet, das lässt du dabei außer Acht :D

  • Bei Längsreglern ist das nun mal so. Wenn eine Spannung U in einem Stromkreis mit Längsregler und Last in zwei gleich große Hälften geteilt wird, dann wird 1/2 U an der Last verbraucht und 1/2 U am Längsregler "verbraten". Da der Strom in einer Reihenschaltung an jeder Stelle stets gleich groß ist, teilt sich die Leistung bei gleich großen Spannungen also exakt 50 : 50 auf. In diesem Fall werden 50% der aufgenommenen Leistung am Längsregel-Lastwiderstand unnütz verbraten. 50% nenne ich dann erheblich.


    Aus diesem Grund sind ja PWM-Schaltungen so beliebt: Nicht die Spannung wird - mit den eben beschriebenen negativen Folgen - vermindert, sondern die Zeit, in der diese dem Verbraucher zur Verfügung steht. Leuchten die LEDs in der einen Hälfte der Zeit maximal und in der zweiten Hälfte der Zeit gar nicht, sind logischerweise genau 50% der bei voller Leuchtdauer abzugebenden Energie abgegeben worden, wobei die Verluste nur im einstelligen Bereich liegen (größtenteils an ohmschen Widerständen im Stromweg). Aber genau das wollte ich ja nicht, ich wollte 100% Strahlungszeit bei verminderter Leistung, um Flimmern zu vermeiden. Also muss logischerweise die Spannung an den LEDs vermindert werden. Das geht natürlich ganz hervorragend mit einem Längsregler, aber ich will ja nicht das Zimmer elektrisch heizen. ;(


    Ich hab nun mal die Spannung direkt über (einer) Drossel beim Durchlauf eines kompletten DutyCycle unter der Last der LED-Beleuchtung gemessen. Vielleicht schaut Ihr Euch das mal an:


    Link: Spannungsverlauf 100µH-Speicherdrossel über DutyCycle 0 - 100%


    Den senkrechten Schaltpeak (der den Schirm nach unten verlässt) lassen wir mal außen vor, der interessiert hier nicht, da er (fast) keine Leistung enthält. Auf diese Weise kann ich das Bild senkrecht weiter aufspreizen.


    Ihr wollt mir nicht erzählen, dass die senkrechte Rampenspannung, die sich je nach DutyCycle hebt oder senkt, allein am ohmschen Widerstand der Drossel abfällt. Die maximale Spannung bei der Leistungsübertragung liegt bei geringem DutyCycle bei 5V. Die Drossel weist einen ohmschen Widerstand von 59mOhm auf. 5V auf 59mOhm ohmschen Widerstand bezogen wären 85A fließender Strom. Das ist schon gefühlt Quatsch, dass bei der geringsten Leistungsstufe des TC420 oberhalb Null insgesamt 5 x 85A = 425A fließen sollen. Das geben schon die Strippen zwischen TC420 und dem Filter nicht her, ohne dass die Spannung sofort völlig zusammenbräche.


    Aber bitte, die Gegenprobe:


    Wie hoch ist der - reell - fließende Strom am Beginn der Rampe denn wirklich? Zu diesem Zweck habe ein verlust- und induktionsarmes Stückchen Kupferdrahtes vom 5mOhm (5mV/A) als reell-ohmschen Shunt verwendet. Dieser Shunt wird vom vollen Strom zwischen TC420 und einem Kanals des Filters durchflossen. Leider synchronisiert mein Oszi bei ganz kleinen Spannungsbereichen nicht mehr wirklich gut, so dass ich den 50mV/Teil-Anzeigebereich verwenden musste. Der Rampenbeginn bei etwa 40% Dutycycle (da liegt in etwa das Strommaximum) misst 0,3 Teile, das sind rund 15mV. Dies entspricht einem Spitzenstrom von 3A. Der Effektivstrom zwischen Filter und LED-Gruppe beträgt hierbei 0,6A.


    Damit ist bewiesen, dass der rein ohmsche Widerstand der Drossel hier keine Rolle spielt: Strom und Spannung sind eindeutig stark versetzt, was nur die Folge der Drossel-Induktivität sein kann.


    Die Impulsfrequenz des TC420 beträgt dabei übrigens 410Hz. Verwendete Drossel: Talema DPU100A5


    Grüße, Tom

  • Bei Längsreglern ist das nun mal so. Wenn eine Spannung U in einem Stromkreis mit Längsregler und Last in zwei gleich große Hälften geteilt wird, dann wird 1/2 U an der Last verbraucht und 1/2 U am Längsregler "verbraten". Da der Strom in einer Reihenschaltung an jeder Stelle stets gleich groß ist, teilt sich die Leistung bei gleich großen Spannungen also exakt 50 : 50 auf. In diesem Fall werden 50% der aufgenommenen Leistung am Längsregel-Lastwiderstand unnütz verbraten. 50% nenne ich dann erheblich.


    An welchem Lastwiderstand? Da ist keiner... Und diese dicken Drähte der Spule kannst du nicht als Lastwiderstand bezeichnen, wie du selbst schreibst.



    Auf was hast du denn dein Oszi in dem Video eingestellt (Breite) - denn ein voller Zyklus ist es ja nun nicht, sonst würde es links nicht immer bei "0" anfangen, obwohl es rechts teilweise bei >4V aufhört.


    Es hat übrigens niemand behauptet, dass der ohmsche Widerstand der Spule irgendeinen Einfluss hat - aber gut, dass du das jetzt auch beschrieben hast :D


    Vorschlag: Überbrücke mal die Spulen und mach dann ein Bild vom Oszi - ich vermute es wird sehr ähnlich aussehen zum 2. Bild dieser Seite.

  • Genau. Und ich kaufe mir dann einen neuen Light-Controller. Außerdem was soll ich an einem Kurzschluss (überbrückte Drossel) oszillografieren?


    Ich tu mich jetzt hier raus und freue mich über meine flimmerfreie Beleuchtung. Spielt halt ohne mich weiter.


    Grüße, Tom

  • Naja, den Ausgang deines Filters kannst du oszillografieren und mit dem anderen Bild des Ausgangs deines Filters vergleichen - kannst also den selben Messaufbau nur ohne Spule messen und dadurch sehen, welchen Einfluss die Spule hat.
    Wieso sollte das deinem Controller schaden? Der ist ja sowieso für den Betrieb ohne Filter konzipiert.

  • @TomR.:
    Ich meine einen kleinen Denkfehler bei dir zu sehen, bzw. fehlende Kenntnis mathematischer Zusammenhänge.
    Das Oszillogramm, über daß du dich so freust, zeigt KEINE Dreieckspannung durch Drosselglättung.


    Du hast mit deinen Kondensatoren einen Tiefpass gebaut, der die Oberwellen deines Rechtecksignals rausfiltert, übrigbleibt eine Sinuskurve mit der Rechteckfrequenz. (Lies dir mal etwas über Fourieranalyse/transformation an.) Deine Spule ist damit in der Tat wirkungslos. Da wird auch nichsts gegrillt wenn du diese überbrückst, denn der Strom wird ja noch durch die Vorwiderstände an deinen LEDs, von denen du geschrieben hast, begrenzt.

    Das Erfolgskonzept von Windows ist eine gelungene Mischung aus Marketing, Korruption, Kartellmißbrauch und der erfolgreichen Spekulation auf das Naturgesetz, daß Scheiße oben schwimmt.


    Auch aus Steinen, die einem in den Weg gelegt werden,
    kann man Schönes bauen.
    Johann Wolfgang von Goethe

  • … Längsreglern…


    Ich glaube, Du brauchst hier niemandem die Funktionsweise eines Längsreglers zu erklären ;) .



    Ich tu mich jetzt hier raus und freue mich über meine flimmerfreie Beleuchtung. Spielt halt ohne mich weiter.


    Genau: "Meine Meinung steht fest! Bitte, verwirren Sie mich nicht mit Tatsachen." [Blockierte Grafik: http://www.cosgan.de/images/midi/frech/e010.gif]

  • Letzter Versuch einer Klärung.


    DC-Kopplung, 1:1-Tastkopf, 0V ist horizontale Mittellinie, 5V/Teil, 40% DutyCycle:


    Messung am Filter-Eingang:


    [Blockierte Grafik: http://www.microcharge.de/privat/foren/aquaristik/input1.jpg]


    Messung über Drossel:


    [Blockierte Grafik: http://www.microcharge.de/privat/foren/aquaristik/drossel.jpg]


    Messung am Filter Ausgang:


    [Blockierte Grafik: http://www.microcharge.de/privat/foren/aquaristik/output1.jpg]


    Die Schaltung entspricht dem vorliegenden Plan, allerdings mit je 5 x 470µf/16V statt eines 1.000µf/16V-Elkos. Nachgeschaltete LEDs wie zuvor beschrieben 2 parallele Seriengruppen von je 3 weißen 3W-LEDs mit Vorwiderständen.


    Und jetzt seid doch so nett und erklärt mir Dummi, was die Schaltung genau macht.


    Grüße, Tom


    Edit:


    Hier noch die zeitparallele Gegenüberstellung von Eingangsspannung (oben, 5V/Teil) und Eingangsstrom (unten, 3,3A/Teil), damit dürfte die Sache endgültig klar werden:


    [Blockierte Grafik: http://www.microcharge.de/privat/foren/aquaristik/004_beschriftet_k.jpg]


    Gemessen bei etwa 80% DutyCycle, Strommessung über Shunt 15mV/A, daher die etwas krude Angabe von 3,3A/Teil auf Kanal 2.


    Man beachte die Stromform. Wären alle beteiligten Widerstände reell, also rein ohmsch, dürfen entsprechend der Eingangsspannung, eine stabile Last vorausgesetzt, überhaupt keine "Bögen" enthalten. Statt dessen erkennt man - auch bei ärgster Unwilligkeit - die für Induktivitäten typische Verzögerung des Stroms gegenüber der Spannung. Es ist nicht gerades an der Stromkurve, sondern eine einzige S-Kurve.


    Das kann niemand mit Fourier-Transformationen und Integral-Gleichungen schönrechnen. Und mit Kondensatoren allein kann man keinen Tiefpass bauen. Es wird immer ein Widerstand benötigt, sei er nun reell oder komplex, ohne geht es nicht.