So konfigurieren Sie einen oder mehrere analoge Filter, um ein 100-Hz-PWM-Signal von einem LED-Controller maximal zu glätten

Ich habe einen RGB-LED-Controller, der die Helligkeit mit einem 100-Hz-PWM steuert, scheinbar ohne eingebaute Glättung. (Aufgenommen mit einer Soundkarte, und diese Impulse sind zu 100 Prozent rechteckig. :)

Ich möchte, dass die resultierende Spannung, die an LEDs ankommt, so flach wie möglich ist, indem ich einen speziell angefertigten Filter / ein einfaches Schema verwende, das nicht zu teuer sein sollte (ansonsten ist es sinnvoller, überhaupt einen besseren Controller zu kaufen).

Die LEDs werden für die Beleuchtung verwendet, daher sollte der Filter für eine ziemlich hohe Leistung (max. ~ 100 W) bereit sein.

Wie sollte ich vorgehen, um einen solchen Filter zu konfigurieren? Sollte ich einen RC- oder LC-Filter verwenden? Nur ein oder mehrere Filter? Wie entscheide ich über die elektronischen Eigenschaften der Elemente (Kapazität, Induktivität usw.)?

UPD: Mit "so flach wie möglich" meine ich so nah wie ein einfaches, billiges Filtersystem, das auf üblichen Komponenten basiert, mich erreichen wird. Eine 99,99 % flache Linie ist KEINE Voraussetzung! Nur ein Filter, der es so gut wie möglich glättet.

Warum wollen Sie angesichts Ihres Leistungsbedarfs und der Frequenz des Impulses stark filtern? Vielleicht hilft ein wenig Glättung, aber eine starke Glättung verschwendet viel Energie, die in Ihren Komponenten abgeführt werden muss, was höhere Nennleistungen erfordert. Bist du dir wirklich sicher?
Yep :) Ich möchte das Flackern maximal reduzieren, auch wenn das System etwas Strom verbraucht. (Natürlich in vernünftigen Grenzen, wenn es 10x mehr braucht, funktioniert das nicht einmal mit den Stromquellen, die ich zur Verfügung habe.) Aus praktischen Gründen ist ein 100-Flimmern immer noch ziemlich leicht zu bemerken, besonders wenn man sich bewegt Sicht, und ich möchte in diesem Raum Videos aufnehmen können, und bei anständigen fps wird ein 100-Hz-Flimmern das Video einfach zerstören.
Kannst du die PWM-Frequenz nicht erhöhen? Um das Flackern zu vermeiden, braucht man dann einen ziemlich starken Filter...
Ja, das wäre großartig, und eine ausreichende Erhöhung würde wahrscheinlich sogar alle Notwendigkeiten für das Filtern eliminieren, aber ich kann es mit diesem speziellen Controller nicht tun.
@Cray: Also hol dir einen Controller, der das kann. Scheinbar lässt du den Schwanz mit dem Hund wedeln.

Antworten (3)

Eine bessere Frage wäre gewesen: "Wie reduziere ich das Flimmern beim Steuern der Helligkeit von LEDs?" Das ist die Frage, die ich beantworten werde ... :)

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Helligkeit von LEDs zu steuern: PWM oder ein konstanter (aber variabler) Stromregler.

Du hast einen PWM-Controller. Das Problem ist, dass Sie einen PWM-Controller irgendwie in einen Konstantstromcontroller umwandeln möchten. Obwohl es möglich ist, wird es schnell zu einem Problem mit quadratischen Stiften und runden Löchern. Dies könnte mit einem LC-Filter erfolgen (verwenden Sie bei diesen Leistungsstufen keinen RC), aber wenn Sie es falsch machen, könnten Sie Ihren LED-Controller sprengen oder jeden Effekt der Dimmersteuerung zunichte machen.

Das Offensichtliche ist, wie andere vorgeschlagen haben, die PWM-Frequenz von 100 Hz auf etwas Höheres zu erhöhen. 500 Hz wären ein gutes Ziel. Wenn Sie zu einer höheren Frequenz gehen, werden die Dinge weniger effizient. Auch das Schalten von 100 Watt bei höheren Geschwindigkeiten kann Probleme verursachen.

Wenn Ihr LED-Controller nicht schneller werden kann, wie Sie angegeben haben, dann stecken Sie wirklich fest. Ihre einzige Möglichkeit besteht dann darin, den LED-Controller wegzuwerfen und einen neuen zu bekommen / zu kaufen / zu bauen. Wenn Sie dies tun, haben Sie die Wahl zwischen einem mit einer schnelleren PWM-Rate oder einem Konstantstrom-LED-Controller.

Ein Konstantstromregler ist genau wie ein Spannungsregler – außer dass er den Strom und nicht die Spannung regelt. Für 100 Watt bräuchte man einen Schaltreglertyp, um den Wirkungsgrad hoch zu halten. Stromregler sind zwar nicht so gebräuchlich wie ein normaler Spannungsregler, aber so weit verbreitet, dass ein kurzer Blick auf die Websites verschiedener Chiphersteller Ihnen die benötigten Informationen liefern sollte. Ich mag Linear Tech für solche Dinge, weil ihr Zeug einfach zu simulieren ist, bevor Sie es bauen. Ihr Simulator, LTSpice, ist ein kostenloser Download.

Update, warum die Verwendung eines LC-Filters nicht praktikabel ist ...

Ok, beginnen wir damit, dass Sie das PWM-Signal nur begrenzen. Was passieren wird, ist, dass die Kappe vollständig aufgeladen wird, wenn die PWM eingeschaltet ist, und in die LEDs entladen wird, wenn die PWM ausgeschaltet ist. Wenn Sie die Rate, mit der die Obergrenze aufgeladen wird, nicht steuern, erhöhen Sie lediglich das PWM-Tastverhältnis. Je größer die Obergrenze, desto mehr verlängern Sie die Einschaltdauer.

Aber hier ist der Killer: Es gibt eine Grenze für die Kappengröße. Wenn die Obergrenze kleiner als dieser Schwellenwert ist, tun Sie nichts, um das 100-Hz-Flimmern zu beseitigen. Wenn es größer ist, haben Sie das Flimmern entfernt, aber Sie haben auch jegliche Dimmfähigkeit des Controllers eliminiert, da Sie den Arbeitszyklus auf 100 % erweitert haben!

Und noch ein Killer: Die Caps werden auf fast 100% aufgeladen, wenn die PWM eingeschaltet ist. Dies wird Ihren LED-Controller stark belasten. Ihr Controller muss für das 5- oder 10-fache der Wattleistung ausgelegt sein, die die LEDs selbst tatsächlich verbrauchen.

Das Einsetzen einer Induktivität dort und die Herstellung eines LC-Filters helfen bei beiden Problemen (ermöglichen das Dimmen und Begrenzen des Stroms, der zum Laden der Kappen fließt). Sie benötigen immer noch einen Controller, der für mehr ausgelegt ist, als Sie benötigen, aber es wird nicht das Zehnfache sein.

Das Problem mit einem Induktor ist, dass Sie einen RIESIGEN benötigen. Ich habe einige Berechnungen durchgeführt und Sie benötigen so etwas wie einen 5.000-uH-Induktor und eine 10.000-uF-Kappe. Dies setzt 100 Volt PWM bei maximal 1 Ampere voraus, Ihr Setup könnte etwas anders sein. Aber diese Werte bringen Sie zumindest in die richtige Größenordnung.

Haben Sie versucht, eine 5.000-uH-Induktivität zu kaufen, die 1 Ampere verarbeiten kann? Es ist schwer! Die müsstest du dir wohl selber bauen. Beim Blick in den Digikey-Katalog sah ich mehrere bei 2.000 uH, die funktionieren könnten, aber keine bei 5.000 uH. Natürlich könnten Sie mehrere parallel verwenden.

Als nächstes kommt die Kappe. Für dieses Setup benötigen Sie 160 V-Kapseln oder sogar 200 V. Ich konnte bei dieser Spannung keine Obergrenze von 10.000 uF finden, aber es ist einfach genug (und üblich), mehrere parallel zu verwenden. Einer, den ich gesehen habe, hatte 2.700 uF, 200 V, war 50 mm hoch und 30 mm im Durchmesser und kostete 6 US-Dollar pro Stück. Du brauchst vier.

Nach all dem benötigen Sie möglicherweise eine große Diode zwischen GND und der Eingangsseite der Induktivität. Wenn es zu einem seltsamen induktiven Rückschlag kommt, hilft diese Diode, Ihren LED-Controller vor Beschädigungen zu schützen.

Es ist also möglich, dies zu tun, aber es wird groß und teuer, und selbst wenn Sie es "richtig" machen, gibt es immer noch keine Garantie dafür, dass es so gut funktioniert wie ein richtiger LED-Controller. Es ist möglich, dass Ihr LED-Controller einfach nicht für den Betrieb mit einer solchen induktiven Last ausgelegt ist und am Ende nicht richtig funktioniert oder ganz stirbt.

Danke, aber das ist nicht die Frage, die ich gestellt habe) Ich möchte wissen, wie man das mit einem Filter macht.
@Cray Die Antwort lautet: "Verwende keinen Filter". Wirklich. Es wird nicht gut funktionieren, wenn überhaupt.
Nach dem, was ich gelesen habe, werden Filter genau für solche Dinge die ganze Zeit verwendet. Verdammt, sogar ein einfacher Test, den ich mit einem zufälligen Parallelkondensator gemacht habe, den ich herumgelegt hatte (der einzige mit den Spezifikationen, der die Volt und Watt dafür bewältigen konnte), und er reduzierte bereits das Flackern. Wenn es also richtig gemacht wird, können bessere Ergebnisse erzielt werden, ich bin mir sicher, ich muss nur wissen, wie. Ich höre Ihre Punkte, Mann, aber wie gesagt, meine Frage ist, wie ich den besten Filter konfiguriere, und mir geht es mit einem kleinen zusätzlichen Leistungsverlust gut. Aber Ihre Antwort kann für andere Leute nützlich sein, also danke trotzdem.
@Cray Während RC- und LC-Filter für solche Dinge verwendet werden, werden sie für diese GRÖSSE nicht so häufig verwendet. Nur weil Ihr Spielzeuglaster genauso funktioniert wie die großen Lastwagen, heißt das nicht, dass Sie Ihr Haus damit bewegen können. Ich habe meiner Antwort etwas hinzugefügt, um dies zu beheben.
Übrigens, ein weiteres Problem mit LC-Filtern ist, dass, wenn Sie nur einen verwenden, es wahrscheinlich immer noch ein erhebliches Flimmern bei 200 Hz, 300 Hz usw. geben würde.
Vielen Dank, einige der Dinge, die Sie jetzt hinzugefügt haben, sind sehr nützlich. Außerdem beträgt die Spannung nur 12 Volt, und die Watt, die ich angegeben habe, waren die sichere Grenze, in der Praxis wird es viel weniger sein, etwa 30-50. Ich denke also, ich könnte die Teile mit diesen Parametern relativ leicht finden. Könnten Sie kurz angeben, wie Sie die Beispielrechnungen durchgeführt haben? Grundsätzlich möchte ich wissen, ob ich sowohl die Kapazität als auch die Unduktanse "so groß wie möglich" bekommen möchte, oder sollte ich eine bestimmte Schwelle nicht überschreiten? (Auch wenn Oberwellen flackern, ist das immer noch eine Verbesserung! Natürlich wird es nicht perfekt sein)
Wenn Sie sagen "jede Dimmfähigkeit eliminiert", meinen Sie sicherlich eine verringerte Dimmfähigkeit? Ansonsten klingt es nur so, als würde ein einfacher Kondensator Strom "erzeugen". In dem erwähnten Test, den ich gemacht habe, hat ein Kondensator die Helligkeit etwas erhöht , aber das Dimmen war immer noch leicht zu bewerkstelligen. Um meinen letzten Kommentar zu ergänzen, könnte man zusätzliche Leistung erzielen, indem man einen einfachen RGB-Signal-Repeater/Verstärker hinzufügt und den Eingang vom Filter damit verdrahtet , oder nicht?
Mir ist noch etwas eingefallen: wegen der Wattzahl: Es ist ein RGB-Controller, und jeder Kanal muss sowieso einen eigenen Filter haben, also wird die Leistung pro Filter immer 1/3 der Gesamtleistung betragen! Das sind dann wirklich nicht so viele Watt!
@Cray, der Kondensator erzeugt keinen Strom, lädt sich jedoch schnell auf, wenn die PWM eingeschaltet ist (nimmt viel mehr Strom als normal), und gibt ihn frei, wenn die PWM ausgeschaltet ist. Wenn Sie einen wirklich großen Kondensator, einen sehr niedrigen Widerstand und eine Stromversorgung haben, die die Stromaufnahme bewältigen kann, würde dies die Dimmfähigkeit vollständig aufheben.
@Cray Eine niedrigere Spannung hilft beim Ermitteln der richtigen Kappen, hilft jedoch nicht beim Induktor. Nehmen wir an, Sie haben insgesamt 50 Watt bei 12 V. Das sind 4 Ampere. Teilen Sie RGB durch 3 und Sie sind auf 1,333 Ampere gesunken. Dies ändert den Induktorwert nicht, aber Sie müssen jetzt einen Induktor finden, der 1,333 Ampere statt 1,0 Ampere verarbeiten kann. Du bist also tatsächlich schlechter dran als meine Annahmen.

Es wird nicht funktionieren.

Die LED-Helligkeit ist linear mit dem Arbeitszyklus. Es ist NICHT linear mit der Spannung. Wenn Sie Ihren PWM-Ausgang tiefpassfiltern, erhalten Sie eine Spannung, die kleiner als die Einschaltspannung der LED ist, und sie schaltet sich überhaupt nicht ein. Und selbst wenn das Tastverhältnis hoch genug ist, dass die gefilterte Spannung die LED einschaltet, verlieren Sie die Helligkeitssteuerung. Die von einer LED abgegebene Leistung ändert sich sehr schnell mit nur einer winzigen Spannungsänderung.

Sie können LEDs nicht effektiv steuern, indem Sie eine flache Spannung variieren.

Guter Punkt. Wie schmal ist das Spannungsband, das die LEDs dimmt, ohne sie auszuschalten? Vielleicht gibt es dazu gute Grafiken oder Literatur? Ich denke jetzt über andere Möglichkeiten nach, die flimmerfreie LED-Schaltung zu bauen, da es scheint, dass PWMing tatsächlich viele Probleme damit hat.
@Cray: Es ist die exponentielle Strom-Spannungs-Beziehung, die allen Dioden gemeinsam ist. Sie müssen sich auf das spezifische Datenblatt für Ihre spezielle Diode beziehen, um die tatsächlichen Zahlen zu erhalten.

LEDs werden mit PWM angesteuert. So geht's am besten. Sie erhalten eine schlechtere Dimmkurve, wenn Sie versuchen, sie auf andere Weise anzusteuern. Das Filtern von PWM ist großartig für andere Anwendungen, so werden Netzteile hergestellt, aber wie David Ihnen immer wieder sagt, nicht für LEDs geeignet.

Wenn Sie ein Problem mit LED-Flimmern haben, würde ich Folgendes untersuchen:

1) Die Stabilität der Stromversorgung (insbesondere der MCU)

2) Die PWM-Frequenz. einen höheren einstellen.

3) Der Code auf dem Mikrocontroller.

obwohl ich mir vorstelle, dass Sie Ihren LED-Controller nicht neu programmieren können, sonst würden Sie dies nicht fragen. Darf ich vorschlagen, dass Sie sich ein Arduino oder eine ähnlich zugängliche MCU besorgen, damit Sie mit diesem Zeug richtig spielen können?

Ist die sinusförmige Form des Signals (im Gegensatz zu Quadrat eins am Ausgang von PWM) der Grund, warum die Filterung effektiv für Netzteile, aber nicht für PWMs verwendet werden kann? Wäre in diesem Fall ein Stelltransformator (ab 220/110) + Filterung eine gute Wahl für das absolut geringste Flimmern? Können Sie auch einen guten Hochfrequenz-PWM-Controller empfehlen? Wie hoch können die Frequenzen auf denen werden?
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