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Helligkeitsregelungen von LEDs



Oft möchte man die Helligkeit von LEDs manuell einstellen. Das ist viel einfacher als eine 230V-Glühlampe zu dimmen und daher kann das jeder ohne viel Kenntnisse. Hier werden sogar gleich fünf Methoden dazu gezeigt.

Index:
  1. Helligkeitsregelung mit Regelwiderstand
  2. Konstantstrom mit Transistor
  3. Pulsweitenregelung mit 555
  4. Pulsweitenregelung mit 4098
  5. Pulsweitenregelung mit ATtiny24
  6. Fazit

1 Helligkeitsregelung mit Widerstand

Wenn es schnell und einfach gehen soll, geht es so:

1.1 Schaltplan

Schaltbild Widerstandsregler Die Anode der LED (der längere der beiden Anschlussdrähte) wird mit einem Widerstand RU verbunden, dieser wiederum mit einer Seite eines regelbaren Widerstands RV, auch Potentiometer oder Poti genannt, sowie mit dessen Mittelkontakt. Die andere Seite des Potis geht an Plus der Betriebsspannung, z. B. an den Pluspol einer 9V-Batterie. Die Kathode der LED geht an den Minuspol der Batterie. Das war es schon.

Sollen zwei LEDs gleichzeitig geregelt werden, können die hintereinander geschaltet werden. Dann geht der Strom erst durch die eine LED und der gleich große Strom auch durch die andere LED. Allerdings muss die Betriebsspannung das vertragen, siehe nächstes Kapitel.

1.2 Auslegung

Drei Fragen sind zu klären:
  1. Welche Betriebsspannung soll genommen werden?
  2. Wie groß muss der Widerstand RU sein?
  3. Wie groß muss das Potentiometer sein?
Ad 1: Nehmen Sie doch was sie wollen, nur nicht weniger als was die LED(s) an Spannung verbrauchen. Wer jetzt versucht, mit einer einzigen 1,5V-Batterie das hinzukriegen, hat schon verloren: so eine einzige LED hat wenigstens 1,8V, mit nur 1,5V leuchtet da rein gar nix.

Wieviel Volt brauchen LEDs? Nun, ganz einfach: messen. Dazu braucht man ein Voltmeter. Ein Vielfachmessgerät tut das auch, wenn man es auf Volt einstellt. Damit kann man die LED über einen Widerstand von z. B. 390 oder 470 Ohm an eine geeignete Gleichspannungsquelle (z. B. drei hintereinander geschaltete 1,5V-Batterien oder an ein Gleichspannungsnetzteil anschließen. Ohne den Widerstand geht es nicht, sonst geht die LED ganz schnell kaputt und kann in den Elektronik-Sondermüll.

Leuchtet jetzt die LED, kann das Messgerät an die LED angeschlossen werden und zeigt deren Brennspannung an, z. 2,05V. Wollen wir eine LED betreiben, nehmen wir das. Sollen es zwei, drei oder noch mehr LEDs hintereinander sein, nehmen wir die Spannung mit zwei, drei oder mehr mal. Jetzt addieren wir noch wenigstens zwei Volt für den Regler und fertig ist unsere Mindest-Betriebsspannung. Und ja: es darf auch ein bisschen mehr sein.

Ad 2: Jetzt ist die Auslegung des Vorwiderstands dran. Dazu müssen wir wissen, welchen Strom wir der LED maximal zumuten können (oder wollen). Das "Können" steht im Datenblatt der LED, normalerweise sind das 20 bis 25mA. Der feste Vorwiderstand muss dann folgendermaßen groß sein:
R (Ohm) = (UB - ULED(s)) / I (mA) * 1.000

Wir kriegen jetzt irgendeinen Wert für den Widerstand heraus, z. B. bei 9V und zwei LEDs mit 2,05V und für 25 mA 196 Ohm. Pech jetzt, wenn man versucht, den im Elektronikladen zu kaufen: 196 gibt es einfach nicht und der Verkäufer winkt mit einem wissenden Lächeln den Kaufwunsch ab. Die gibt es nur in festgelegten Größen, nämlich 100, 120, 150, 180, 220, 270, 330, 390, 470, 560, 680 und 820 Ohm, oder zehn mal mehr oder weniger. Weil das 12 verschiedene Werte sind, heißt die Reihe E12. Schon damit die Anzahl Schächtelchen im Elektronikladen nicht überhand nimmt, hat der nur E12-Werte.

Man kann sich auch den Spaß machen, sich die beiden Schachteln mit 180 und 220 Ohm bringen zu lassen und mit einem Ohmmeter zu messen, ob da vielleicht sogar ein 196 Ohm dabei ist. Heißer Tip: wird nix, weil die mit 5% Toleranz gar nicht auf 196 kommen können.

Die LED(s) nehmen uns das nicht krumm, wenn wir statt 196 einen 220 Ohm nehmen. Die kriegt dann einen maximalen Strom von
I (mA) = (9 V - 2*2,05 V) / 220 * 1.000 = 22,3 mA

Der kleine Unterschied ist in der Praxis irrelevant: zu sehen ist kein Leuchtunterschied und der niedrigere Strom macht der LED schon gar nicht zu schaffen, die kann ein bisschen mehr. Auch 180 ginge noch, wäre im Dauerbetrieb aber schon grenzwertig.

Ad 3: Wie groß soll nun das Potentiometer sein? Das ist Geschmackssache und nur davon abhängig, bis zu welchem Minimalstrom abgeregelt werden können soll. Wer bis auf 1 mA kommen will, nimmt
RPoti = (UB - ULED(s)) / 1 mA * 1.000 = 4.900 Ohm

und zieht die 180 oder 220 Ohm vom Vorwiderstand ab (4.680 Ohm). Solche Potis gibt es jetzt auch rein gar nicht zu kaufen, die gibt es nur in der E6-Reihe. 4.700 ist da am nähesten dran und schon fast perfekt.

Stromkurven verschiedener Potis Das hier sind die Kurven mit den Strömen durch eine einzige LED und einem Festwiderstand von 270Ω bei 9V mit verschiedenen Potentiometern. Keine Angst: die Kurven entsprechen ungefähr der Intensität, mit der das menschliche Auge die Helligkeit der LED wahrnimmt.

1.3 Varianten

Leistung des Potis bei mehreren Reihen Will man mehrere LED-Reihen mit einem einzigen Poti regeln, kriegt jede weitere Reihe einen eigenen Vorwiderstand und das Poti muss natürlich kleiner sein. Mit der Anzahl Reihen nimmt die Leistung zu, die im Poti erzeugt wird. Da die Leistung bei verschiedenen Poti-Einstellungen unterschiedlich ist, ist rechts der Leistungsverlauf bei zwei bis fünf Reihen mit je drei LEDs bei 9V Betriebsspannung für alle Drehwinkel des Potis dargestellt.

Bei mehr als fünf Reihen kann die Nennlast üblicher Potentiometer von 250 mW überschritten werden.

Erhält jede Reihe ihr eigenes Potentiometer, tritt dieser Fall nicht auf.

Im dargestellten Fall beträgt der Abstand zwischen der Betriebsspannung und der LED-Spannung 3V. Ist die Differenz größer, nimmt die Leistung erheblich zu.


Top Widerstandsregelung Konstanstrom 555-PWM 4098-PWM Tiny24-PWM Fazit

2 Konstantstromquelle mit Transistor

Wer einen Transistor und zwei weitere Widerstände investiert, kann einen etwas glatteren Verlauf der Stromkurve erreichen: mit einer Konstantstromquelle.

2.1 Schaltplan

Schaltbild Konstanstromregler Da ist nicht viel dran: ein NPN-Transistor, drei Widerstände und ein Potentiometer.

Mit dem Poti wird eine Spannung zwischen einer Untergrenze, die vom Widerstand RU bestimmt wird, und einer Obergrenze, die von RO bestimmt wird, an die Basis des Transistors gelegt. Dieser stellt den Strom durch seine Kollektor-Emitterstrecke so ein, dass die Spannung am Emitter genauso groß wird wie es die Spannung an der Basis vorgibt (minus ca. 0,65 Volt). Dadurch stellt sich ein linear regelbarer Strom durch die LED(s) ein.

Die nicht von der oder den LEDs verbrauchte Spannung, abzüglich der Spannung am Emitterwiderstand RE, wird von der CE-Strecke des Transistors abgefangen. Daher muss die Betriebsspannung so gewählt werden, dass beim höchsten Strom durch die LEDs auf der CE-Strecke wenigstens noch 1V anliegen.

2.2 Auslegung

Bei der Auslegung der Schaltung sind folgende Parameter zu wählen:
  1. der maximale und der minimale LED-Strom,
  2. der Emitterwiderstand RE,
  3. die beiden Widerstände RU und RO sowie das Potentiometer RV, und
  4. der zu verwendende Transistor.
Ad 1: Der minimale LED-Strom ist Geschmackssache und der maximale LED-Strom ergibt sich wieder aus dem Datenblatt der LED. Nehmen wir an, wir wollen bei 1 mA beginnen und bei 25 mA enden.

Ad 2: Der Widerstand RE muss beim Maximalstrom durch die LED eine Emitterspannung von einigen wenigen Volt verursachen. Die ergibt sich aus dem LED-Strom zu
UE(V) = ILED(mA) * RE(Ohm) / 1.000

Die zu wählende Emitterspannung ergibt sich aus Folgendem: Mit der Formel
RE = UE / ILED-max(mA) * 1.000

ergeben sich bei 9V Betriebsspannung 74Ω, bei 12V 194Ω. Für die 9V nehmen wir 68 oder 82Ω, für 12V 180 oder 220Ω.

Die Leistung des Emitterwiderstands ergibt sich aus der Formel
PE(mW) = UE-max(V) * ILED-max(mA)

was bei 9V 46mW und bei 12V 121mW ergibt. Im ersten Fall liegen wir deutlich unter den 250mW, die ein ordinärer Widerstand abkann, im zweiten Fall bei der Hälfte. Arg viel mehr an Emitterspannung darf es nicht sein und wir bräuchten einen Widerständ mit höherer Leistung, z. B. mit 400mW (Metallfilm) oder 500mW.

Ad 3: Aus dieser Auslegung bisher ergibt sich der maximale Basisstrom, den der Transistor benötigt, um die LED(s) auszusteuern. Sein Basisstrom ergibt sich aus der Formel
IB-max(mA) = ILED-max(mA) / hFE-min

hFE ist die Stromverstärkung des Transistors, wie er im Datenblatt des Transistors steht. Dort ist ein Mindestwert und ein typischer Wert angegeben, z. B. für den BC547B typisch 330. Bei höheren Kollektorströmen kann der Wert bis auf 120 absinken. Wir nehmen den Minimalwert und liegen auf der sicheren Seite. Damit ergibt sich bei einem maximalen Kollektorstrom von 25mA ein Basisstrom von 0,21mA.

Der höchste Basisstrom fließt, wenn das Potentiometer voll am oberen Anschlag steht und nur der Widerstand RO zwischen Basis und Plus der Betriebsspannung liegt. Die Spannung an der Basis ergibt sich aus Emitterspannung beim höchsten Strom plus der Spannung, die an der Basis-Emitter-Strecke hängen bleibt, etwa 0,7 V. Bei 9V sind das 1,85 + 0,7 = 2,55V, bei 12V 4,85 + 0,7 = 5,55V.

Durch den Widerstand RO fließt nun aber nicht nur der Basisstrom IB, sondern auch noch der Strom durch das Potentiometer und den Widerstand RU. Damit dieser Stromzweig nicht verhungert, machen wir ihn doppelt so groß wie der maximale Basisstrom, also 2 * 0,21mA = 0,42mA. Insgesamt müssen also 3 * 0,21mA durch den oberen Widerstand RO. Da nun Spannung (= Betriebsspannung minus Basisspannung) und Strom (3 * Basisstrom) bekannt sind, wird
ROΩ = (UB - UB-max) / (3 * IB-max(mA)) * 1.000

Bei 9V ergeben sich daraus 10.238Ω oder 10KΩ, bei 12V ganz genau so viel. Wir kaufen 10K ein und sind glücklich.

In der Maximalstellung fließen durch das Poti und RU 2 * IB-max an Strom. Die an beiden anliegende Spannung beträgt 2,55 bzw. 5,55V. Damit ergibt sich der Gesamtwiderstand aus Poti und RU zu
RV + RU = UB-max / (2 * IB-max) * 1.000
9V: = 2,55(V) / (2 * 0,21mA) * 1.000 = 6.071Ω
12V: = 5,55(V) / (2 * 0,21mA) * 1.000 = 13.214Ω

Das ist nun mal sehr unterschiedlich groß.

Welchen Teil von diesem Gesamtwiderstand lassen wir auf RU entfallen? Dazu nehmen wir an, dass am unteren Anschlag der Basistrom ganz, ganz niedrig und vernachlässigbar klein ist, weil die LED kaum leuchten soll. Damit das der Fall ist, muss die Basisspannung bei derjenigen Schwelle liegen, bei der überhaupt ein Basisstrom fließen kann. Erfahrungsgemäß sind das beim BC547B gerade mal 0,4V. Da der Potischleifer am linken Anschlag ist, ergibt sich diese Spannung aus der Betriebsspannung UB und dem Verhältnis zwischen RU und dem Gesamtwiderstand aus RU, RV und RO:
UO-min = UB * RU / (RU + RV + RO)

oder, umgestellt nach RU:
RU = UU-min / UB * (RU + RV + R0)

Da wir sowohl RO (10.000Ω) als auch die Summe aus RU und RV schon kennen (bei 9V: 6.071, bei 12V 13.214Ω), ergibt sich bei
9V: RU = 0,4 / 9 * (10.000 + 6.071) = 714Ω

12V: RU = 0,4 / 12 * (10.000 + 13.214) = 774Ω

Beides läuft auf 680Ω aus der E12-Widerstands-Reihe hinaus.

Für das Poti RV bleiben dann bei
9V: RV = 6.071 - 714 = 5.357Ω

12V: RV = 13.214 - 774 = 12.440Ω

über. Wir gehen auf 4k7 bei 9V und 10k bei 12V - und unsere ganzen schönen Berechnungen lösen sich im Wohlgefallen der schnöden Realität, des technisch möglichen und des versandtechnisch Verfügbaren auf, denn unser Poti ist weit weg vom berechneten Wert.

Also alles noch mal anders herum und mit den realen Werten gerechnet. Wer jetzt den Umgang mit Tabellenkalkulationen beherrscht, hat es um Vieles einfacher: er strickt sich ein Konstantstromregler-Rechenblatt und kann komfortabel mit den Werten spielen. Oder er nimmt sich das Blatt Open-Office-Rechenblatt hier und hat schon alles Nötige.

Ad 4: Wichtig für den Transistor ist seine Verlustleistung. Betreibt man eine einzige Leuchtdiode aus einer 24V-Spannungsquelle hat man schon die Bescherung: der Transistor muss fast 22V Spannungsüberschuss fressen und mit P = UCE * ICE = 21 * 25 = 525mW ist man schon bei mehr als man einem BC547B zumuten darf (300 mW im Dauerbetrieb).

Überschreitet die Verlustleistung der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 300 mW, ist ein größerer Transistor als der BC547B angesagt, z. B. ein BD439. Der hat zwar weniger erstärkung hFE, kann aber ohne Kühlkörper bis zu 1 W.

2.3 Varianten

Will man hier mehrere LED-Reihen an den gleichen Reglerpoti anschließen, geht das nur mit weiteren Transistoren, einen für jede Reihe. Und natürlich jedem seinen eigenen Emitter-Widerstand. Die Basen der Transistoren kann man dann alle an den gleichen Schleifer zusammenschließen. Im Rechenblatt trägt man dann einfach einen höheren Stromüberschuss ein.

Will man sehr viel höhere Betriebsspannungen wie 24 oder 30V verwenden, um noch mehr LEDs in Reihe schalten zu können, kann man die Schaltung ohne weiteres so lassen. Ist die Spannung aber nicht stabilisiert und kann in weiten Bereichen schwanken, ist die Schaltung ohne Änderungen aber nicht geeignet, denn ihre Auslegung basiert auf einer festen Spannung. In diesem Fall kann man aber einfach eine Zenerdiode an den oberen Anschluss des Potis zum Widerstand RO hin anbringen und damit die maximale Einstellspannung auf die Spannung der Zenerdiode (z. B. 4,7V) stabilisieren. Der maximale LED-Strom ist damit auf
ILED-max(mA) = (UZener - 0,7) / RE * 1.000

eingestellt und erhöht sich bei höherer Betriebsspannung nicht mehr.

Top Widerstandsregelung Konstanstrom 555-PWM 4098-PWM Tiny24-PWM Fazit

3 PWM-Regler mit 555

Immer hat der Elektroniker in seiner Bastelkiste einige 555 herumliegen, also warum nicht mit dem die LEDs regeln.

Das eröffnet einen ganz neuen Reigen: die LED wird nicht mehr einfach mit irgendeinem Strom versorgt sondern ständig ein- und ausgeschaltet. So schnell, dass es weder blinkt noch flackert und das menschliche Auge von der ständigen Ein- und Ausschalterei nur den Mittelwert zu sehen kriegt. Das nennt sich Pulsweitenmodulation (PWM) und ist das A und O der LED-Welt.

Damit wird die Helligkeit unabhängig von der Helligkeitswahrnehmung, die alles andere als linear ist mit dem Strom durch die LED: die LED wird echt schwächer, und zwar linear.

3.1 Schaltplan

PWM-Regler 555 Der 555 kommt in einem 8-poligen Gehäuse daher und es gibt einiges zu beschalten.

555 als Pulsweiten-Oszillator Und so funktioniert es: Mit den drei Widerständen RL, RV und RU wird der Kondensator C aufgeladen. Das geht am Anfang schneller und später langsamer, weil die Spannung an C steigt und die Differenz zur Betriebsspannung und damit der Ladestrom immer kleiner wird. Der Ausgang des 555 ist in dieser Zeit auf der Betriebsspannung. Erreicht die Spannung am Kondensator C zwei Drittel der Betriebsspannung, schaltet der 555 um: sein Ausgang geht auf Null und er schaltet den Entladeausgang Unl an. Dieser entlädt den Kondensator über den Widerstand RU und den mit dem Schleifer des Potis eingestellten Anteil von RV. Alles, was an Strom über RL und den oberen Teil von RV kommen könnte, wird ebenfalls kurzgeschlossen. Das Entladen geht solange, bis der Eingang Sense meldet, dass die Spannung bis auf ein Drittel der Betriebsspannung abgesunken ist. Dann kehrt sich das Spiel erneut um: Unl wird abgeschaltet, der Kondensator wieder geladen und der Ausgang wieder hoch.

Da die LED so am Ausgang angeschlossen ist, dass sie bei niedrigem Pegel am Ausgang angeht, bei hohem Pegel aber aus ist, ist sie nur an, solange der Entladeorgang dauert. Da der Entladevorgang bei der hier gewählten Potistellung aber etwas rascher vonstatten geht als der Ladevorgang, ist sie nur zu etwa 40% der Zeit an. Der gesamte Durchgang dauert etwa 6,5ms, die Frequenz beträgt daher f = 1.000 / 6,5 = 154Hz. Viel schneller als das Auge gucken kann.

Erhöhung des Widerstandswertes des eingestellten Potis bewirkt, dass sich die aktive Zeit verlängert, Erniedrigung beschleunigt die Entladung und verkürzt die aktive Zeitdauer.

Die anderen Anschlüsse des 555 sind in dieser Schaltung uninteressant und müssen wie dargestellt beschaltet werden.

3.2 Auslegung

Die Frequenz des Pulsweitenoszillators wird mit dem Kondensator C und den drei Widerständen eingestellt. RL und RU wurden bei der folgenden Kurve auf 470Ω eingestellt, das Poti hat 10K und der Kondensator 470nF. Daraus resultiert die folgende Kurve für die Pulsweite.

555-Pulsweitengenerator Die Kurve verläuft zunächst steiler, dann zunehmend flacher ansteigend. Das ist umgekehrt wie es das menschliche Auge wahrnimmt. Mehr als 50% können hiermit grundätzlich nicht eingestellt werden.

Die erzeugten Frequenzen variieren mit der Potentiometerstellung ebenfalls, liegen aber allesamt weit oberhalb der Wahrnehmung des menschlichen Auges. Soll ein Poti mit 100k verwendet werden, muss der Kondensator auf ein Zehntel seiner Kapazität verringert werden, damit die Frequenz unsichtbar bleibt.

Vor einer Verringerung der 470Ω-Widerstände muss dringend abgeraten werden, wenn der interne Unload-Transistor nicht gekillt werden soll. Empfehlenswert ist eher eine Erhöhung.

3.3 Varianten

Der 555 kann mit maximal 16V Betriebsspannung betrieben werden. Das limitiert die Anzahl hintereinandergeschalteter LEDs auf sechs bis maximal sieben. Er kann aber mit seinem Ausgang in Sink-Schaltung bis zu 200mA treiben, wobei die Spannung auf 2,5V ansteigt. Das ergäbe schon ein großes LED-Gräberfeld.


Top Widerstandsregelung Konstanstrom 555-PWM 4098-PWM Tiny24-PWM Fazit

4 PWM-Regler mit 4098

Elektronisch betrachtet hat der 555 einen Nachteil: sowohl seine An- wie auch seine Aus-Zeit ist von der Stellung des Potentiometers abhängig: beides wird mit zunehmendem Widerstand größer. Und er kommt schon gar nicht über 50% Pulsweite.

Beides Nachteile, die die jetzt vorgestellte Lösung nicht hat. Verwendet wird dazu ein CMOS-IC, das zwei "monostabile Ein-Schuss-Multivibratoren" (Monostable One-Shot-MV) enthält, die sich gegenseitig anschalten.

4.1 Schaltplan

Schaltbild 4098-Regler Das ist auch nicht viel mehr an Peripherie als beim 555. Da CMOS-ICs aber nicht so viel Strom am Ausgang liefern, muss da noch eine NPN-Treiberstufe mit einem Transistor an den Ausgang Q2.

Wie es funktioniert? Der 4098 enthält zwei monostabile Multivibratoren. Das sind Bauelemente, die mit einem Triggersignal gezündet werden und daraufhin ihren Ausgang Q auf hohen Pegel schalten. Nach Ablauf einer mit dem Widerstand R und dem Kondensator C einstellbaren Zeit schaltet der Ausgang wieder aus und tut bis zum Eintreffen des nächsten Triggerimpulses nichts mehr weiter (daher heißt das Ding auch monostabil, oder in hessisch: "Von nix kommt nix").

Die Triggerimpulse können positiv sein (wenn der Eingang von niedrig auf hoch wechselt) oder auch negativ (umgekehrt). Beide Eingänge sind extern vorhanden und Impulse führen zum gleichen Ergebnis: einem Einmal-Schuss (One-shot).

Wechselseitiges Triggern zweier monostabiler MV Zwei dieser One-Shots sind hier folgendermaßen verschaltet. Der One-Shot MV1 wird von abfallenden Flanken des One-Shot MV2 getriggert, der One-Shot MV2 von abfallenden Flanken des MV1. Sie stoßen sich also gegenseitig an. Die Zeit, nach der MV1 wieder seinen Ausgang Q1 auf Null schaltet, wird von R1 und C1 bestimmt. Die Zeit, nach der MV2 seinen Ausgang Q2 wieder auf Null schaltet, aber von R2 und C2. Auf diese Weise können beide Dauern separat eingestellt werden (im dargestellten Beispiel ist MV1 schneller und MV2 langsamer.

Jetzt hat man nur noch das Problem beim Einschalten. Da ist keiner der beiden aktiviert und die Schaltung geht einfach nicht. Das löst die Kombination von 100K und 470nF am Pin 4. Sie sorgt dafür, dass der positive Trigger-Eingang nach dem Einschalten der Betriebsspannung erst mal auf Null bleibt, weil der Kondensator noch entladen ist. Er wird aber vom Widerstand langsam aufgeladen, erreicht nach längerer Zeit die Triggerschwelle und löst den ersten Schuss beim MV1 aus. Danach geht das Spiel munter hin und her.

Die beiden zeitbestimmenden Kondensatoren sind bewusst unterschiedlich groß: C1 produziert zehnmal längere Signale als C2, wenn beide Widerstände gleich groß sind (Poti auf linkem Anschlag). Das bedeutet nur sehr kurze aktive Zeiten (10%). Wird das Poti weiter aufgedreht und erreicht zusammen mit dem 4K7 47 Kilo-Ω, dann sind beide Signale gleich lang (50% PWM). Beim noch weiteren Aufdrehen gehen die PWM-Signale über 50% hinaus. Das Poti kann sehr groß sein, da CMOS-Schaltungen kaum Eingangswiderstand haben. 470K bietet einen weiten Einstellbereich. Entsprechend hoch ist der Einstellbereich der PWM.

Einstellbereich der 4098-PWM-Schaltung Der Einstellbereich reicht in der gezeigten Dimensionierung von 10% bis 95%. Allerdings ändert sich mit der PWM-Einstellung auch die Frequenz des PWM-Signals in weiten Bereichen zwischen 2 kHz bis herunter nach 100 Hz. Das kommt daher, dass zwar die Aus-Zeit fix ist, aber sich die An-Zeit zunehmend verl&aum;ngert. Aber weder 100 Hz noch 2 kHz auf der LED können wir sehen.

Hier noch die beiden Bilder vom LED-Steuersignal bei 0 Grad und bei 135 Grad Potistellung:

4098-Oszillator bei 0 Grad 4098-Oszillator bei 135 Grad Links ist die LED nur kurz an, rechts ist sie die meiste Zeit über an. Der Spannungsverlauf am Kondensator C2 ist in rot eingezeichnet und zeigt die typischen Ladekurven der RC-Kombination wie wir sie schon beim 555 gesehen haben.

4.2 Auslegung

Wer mit den Werten für Ub, R1, R2, C1 und C2 spielen will, findet ein Open-Office-Rechenblatt hier. Ändert man die grün hinterlegten Werte wie z. B. das Näherungs-Intervall in µs, muss man den dargestellten Wertebereich der x-Achse im Diagramm anpassen, damit man alles korrekt im Diagramm sieht.

4.3 Varianten

Der 4098 arbeitet im Betriebsspannungsbereich 3 bis 18 V. Es können daher bis zu sieben 2V-LEDs oder fünf 3V-LEDs gestapelt werden. Da die LED sowieso mit einem NPN-Treiber arbeitet, kann dieser auch die gestapelten LED treiben.

Soll die Schaltung mit einer ungeregelten Versorgungsspannung arbeiten, empfiehlt es sich den NPN-Treiber zu einer Konstantstromquelle umzubauen: Weder die PWM-Anteile im Einstellungsbereich noch die Frequenz der PWM sind von einer geänderten Betriebsspannung relevant beeinflusst.

Diese geänderte Schaltung erlaubt es auch, die LEDs mit einer noch höheren Spannung als den 4098 zu betreiben (z. B. um noch mehr LEDs stapeln zu können).

Störend ist m.E.n. nur der ziemlich nicht-lineare Verlauf der Helligkeit mit der Potentiometerstellung. Das kriegt man mit einem umgekehrt logarithmischen Potentiometer zwar etwas besser in den Griff, aber die Lösung im nächsten Kapitel ist da wesentlich eleganter.

Top Widerstandsregelung Konstanstrom 555-PWM 4098-PWM Tiny24-PWM Fazit

5 PWM-Regler mit Mikroprofessor ATtiny24

Damit kommen wir zur Königsklasse der PWM-Regler: zur Mikrocontroller-getriebenen Variante mit feinfühligster Einstellung sogar mit 10-Gang-Potentiometer und in Tausendstel-Schritten. Absolut linear und dabei noch hundsschnell: mehr als 7.800 Hz PWM-Frequenz möglich (und damit auch Filmkamera-taugliches PWM).

5.1 Schaltplan

PWM mit ATtiny24 Zunächst erst mal eine Entschuldigung: von den 14 Pins bleibt mehr als die Hälfte unbenutzt. Es hätte auch ein ATtiny4, 5, 8 oder 10 gereicht, aber die gibt es nur im 6-poligen SOIC-Gehäuse und für unter dem Mikroskop zu löten (nix für zittrige Hände und gealterte Augen).

Oder ein 8-poliger ATtiny13 oder 25, aber die hätten keinen 16-Bit-Timer gehabt und wären "nur" 256-stufig zu Werke gegangen. Also bleibt erst mal Vieles an Pins unbenutzt.

Die Beschaltung ist ziemlich einfach: die Betriebsspannung von 1,7 bis 5V kommt an die Betriebsspannungs-Pins, das Poti mit einem Kondensator, der eingestreute Wechselspannung im mV-Bereich abschwächt, an einen AD-Wandler-fähigen Eingang (ADC0) und die LED mit einem Vorwiderstand an den OC1A-Ausgang. An den Reset-Eingang kommt noch ein 10k nach Plus, damit der Controller arbeitet. Alles weitere ist Sache des Programms, das im Controller werkeln muss, damit er was tut (nackige Chips ohne Programm tun rein gar nix, also nicht einfach kaufen und reinstecken, das gibt nur Frust und dunkle LEDs).

5.2 Auslegung

An Komponenten gibt es nichts auszulegen. Nur der Vorwiderstand für die LED. Bei 25mA hat der Ausgang in Sink-Schaltung eine Spannung von 0,5V, die bei der Stromberechnung zu berücksichtigen ist.

5.3 Funktionsweise

Das PWM-Signal wird mit dem im Prozessor eingebauten 16-Bit-Timer TC1 erzeugt, der vom Programm in den Modus 7 (Fast PWM, 10-Bit) gebracht wird. In diesem Modus zählt der Timer aufwärts bis 1023, stellt sich dann wieder auf Null und beginnt von vorne. Zu Beginn jedes Zyklus setzt oder löscht er den Ausgabepin OC1A (abhängig von der Programmierung). Erreicht der Zähler einen vom Programm gesetzten 10-Bit-Vergleichswert im Vergleichsregister 1A, wird der Pin OC1A auf Eins bzw. Null gesetzt. Auf diese Weise kommt das PWM-Signal zustande.

Mögliche PWM-Frequenzen beim ATtiny24 Der Zähler kann mit dem Taktsignal des Controllers getaktet werden (normalerweise 1 MHz) oder mit einem vorher durch 8, durch 64, durch 256 oder durch 1.024 geteilten Takt. Die Taktfrequenz des Controllers kann aber auch per Programm auf 8, auf 4, auf 2, auf 1, auf 0,5 und in Zweierpotenzen herab bis 62,5 kHz eingestellt werden, so dass die in der Tabelle stehenden PWM-Frequenzen in Hz möglich sind.

Aus dem weiten Spektrum der Möglichkeiten kann 122 Hz ausgewählt werden, was weit oberhalb der Flimmerwahrnehmung des menschlichen Auges liegt. Das kann bei 1 MHz durch einen Vorteiler von 8 erreicht werden. Soll das PWM-Signal auch Filmkamera-tauglich sein, wählt man als Vorteiler 1 und stellt die Taktfrequenz des Controllers auf 8 MHz um (per Programm oder durch Löschen einer programmierbaren Fuse).

Die am ADC0-Eingang liegende Spannung wird vom eingebauten 10-Bit-AD-Wandler mit der Betriebsspannung verglichen und das Ergebnis mit Werten zwischen 0 und 1.023 geliefert. Dieser Wert kann entweder direkt in das Vergleichsregister geschrieben werden oder es können z. B. erst 64 Messungen gemittelt werden, die Summe durch 64 geteilt werden und dann erst in das Vergleichsregister übergeben werden. Dort wird der geschriebene Wert erst mal zwischengespeichert und beim Beginn des nächsten PWM-Zyklusses auch angewendet.

Das ergibt eine absolut lineare PWM, die von einem Tausendstel bis zu 100% PWM-Anteil reicht und linear mit dem Poti eingestellt werden kann.

5.4 Programmierung

Das Programm kann in Assembler, Basic oder C verfasst werden. In Assembler wird es assembliert, in Basic oder C kompiliert. Alle drei Methoden liefern eine Hexadezimal-Datei mit 16-Bit-Programmschritten, die in den Flash-Speicher des Prozessors gebrannt werden muss. Erst dann tut der ATtiny24 was er tun muss: Messen und schalten.

Wie das alles geht ist auf dieser Webseite (hier) und auf anderen Webseiten ausführlich beschrieben (z. B. hier).

5.5 Varianten

Sollen mehrere LEDs hintereinander geschaltet an einer höheren Spannung betrieben werden, muss dem OC1A-Ausgang eine NPN-Treiberstufe oder eine Konstanstromquelle nachgeschaltet werden.

Sollen zwei Reihen mit einem weiteren Potentiometer geregelt werden: der Timer hat einen weiteren Vergleicherkanal am Ausgang OC1B. Das zweite Potentiometer kann an den AD-Wandler-Eingang ADC1 angeschlossen werden. Auch dieser zweite Kanal kann im 10-Bit-Modus mit einem Promille Auflösung betrieben werden.

Sollen insgesamt vier Schaltkanäle betrieben werden: auch kein Problem. Mit OC0A und OC0B stehen zwei weitere Ausgänge, mit ADC2 und ADC3 zwei weitere Potentiometer-Eingänge zur Verfügung. Allerdings hat der Timer TC0, der die beiden Ausgänge mit einem PWM-Signal steuern kann, nur 8 Bit. Weniger an PWM-Auflösung, dafür ist er vier mal so schnell, weil er nur bis 256 und nicht bis 1.024 zählen muss. Die 28kHz, die jetzt maximal werkeln, dürften auch bei den besten Kameras der Welt nicht mehr zu Flimmern neigen.

Damit füllen sich langsam die noch freien Pins.

Top Widerstandsregelung Konstanstrom 555-PWM 4098-PWM Tiny24-PWM

6 Fazit

©2018 by Gerhard Schmidt