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aktive MOSFET-Gleichrichtung für LED-Beleuchtung

W

wrrdlbrrmpft

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5. Februar 2005
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Hallo,

nachdem ich mich nun einige Wochen durch die Myriaden Beleuchtungsideen gewuselt habe, möchte ich auch meine erste Frage an die Elektronik-Experten loswerden, da ich nichts zu aktiven Gleichrichtern gefunden habe:

Geplant habe ich einen Scheinwerfer mit 2-3 W Luxeon-LEDs am Nabendynamo. Eine Gleichrichtung hätte den Vorteil, dass man mit 2 in Reihe geschalteten LEDs auskommen würde. Außerdem könnte man für Stadtfahrten noch einen Goldcap-Kondensator zwischen Lampe und Kabel (hinter Gleichrichtung) für Standlicht stecken.
Jetzt ist aber wegen des relativ hohen Stromes selbst bei Schottky-Dioden der Spannungsfall am Gleichrichter (ca. 0,72 V bei 700 mA) ziemlich hoch und damit die Verlustleistung.
Ich habe daher eine Schaltung mit aktiver MOSFET-Gleichrichtung im Auge. Da die FETs keine Halbleiterübergänge haben, sollte die Verlustleistung vernachlässigbar klein sein.
Ich versuche mal, meine Idee hier als Datei anzuhängen.
Eine LED liefert ab ca. 2,5 V Licht. Bei zwei LEDs ist also der Bereich ab 5 V interessant. Bei 5 V (Gate-Source) sollten die MOSFETs laut Datenblatt schon extrem gut leiten.

Wäre eine solche Schaltung (nicht) sinnlos?

Viele Grüße!
wrrdlbrrmpft
 

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Re: aktive MOSFET-Gleichrichtung für LED-Beleuchtung
Ich habe zwar keine Ahnung von MOSFET-GLeichrichtern, kann aber sagen, daß der Spannungsabfall durch einen Schottky-Gleichrichter erhebliche Helligkeitverluste an den LEDs verursacht hat.
Alles, was weniger Verlust hat, bringt da einiges.

Gruß
Raymund
 
Hi,

hab sowas für's Rad noch nie gebaut. Aaber:
-Mosfets haben üblicherweise eine parasitäre Reversediode. Stört die hier oder ist es egal?

-LED's werden gerne mit STROM betrieben. Luxeon's auch? Du brauchst also entweder einen Dynamo, der einen begrenzten Maximalstrom liefert (der SON tut das, so weit ich weiss, dann muss das nur noch zu Deinen Luxeon's passen), oder eine Strombegrenzung in Reihe zu den LED's.

-Goldcaps haben wenn ich mich recht erinnere 2,5V. Zwei in Reihe wären 5. Kannst Du evtl. sogar über die Luxeons symmetrieren, aber nur, wenn die max. Spannung der Goldcaps nicht überschritten wird.

-Der SON liefert annäherungsweise 1V spitze je gefahrenen km/h. Ab rund 9 kmH 6Veff, also 9V spitze. Dann würde die Spannung steigen, wenn Du nicht zuviel Strom ziehst. Das reicht sogar noch für "ganz normale" Siliziumdioden. Also ausser dem Wirkungsgrad eigentlich kein Argument für den aktiven Brückengleichrichter. 0.5V zu sparen bei 750ma sind 0.35 Watt elektrisch oder rund 0.5W Muskelkraft.

Wie es bei Shimanos aussieht weiss ich nicht.

Grüsse
"hans-albert"
 
Also,
Goldcaps gibt's auch in höheren Spannungen, insofern ist's kein so großes Problem, auch mit der Symmetrierung, Epcos bietet da einiges an Infos (Ich habe einen 14V/100F Cap auf der Arbeit:) Ein Teufelsteil;)

Der verbesserte Wirkungsgrad durch einen aktiven Gleichrichter ist eher marginal, die Steigerung der Lichtleistung durch die Luxeon reißt das wieder raus...
Aber prinzipiell wird es gehen. Es gibt auch Mosfets, die ab ca. 1V schalten. Und die Reversdiode ließe sich für 'Unterspannung' als Gleichrichter nutzen.
Aber ein wenig mehr Aufwand mußt Du schon treiben, um das ganze einigermaßen Alltagstauglich zu machen...
Ich fahre schon lange mit einem einfachen Si Gleicheichter, hat mich noch nie gestört... Die 0.xWatt habe ich noch übrig;)

Der Nikolauzi
 
@nikolauzi

Hm.
M&M hiessen früher Treets.
Twix war mal Raider.
Und als Epcos noch Siemens-Matsushita hiess, da hatten die Goldcaps noch 2,5V. Wenn man einen 5v zerlegt hat, dann waren da zwei knopfzellenähnlich aussehende 2,5V drin.

14V und 100F ist ein ober-super-hammerteil. Sind das noch goldcaps oder sind das die ultra-caps?

Werd da gleich mal surfen, danke für den Tip.

Grüsse
"hans-albert"
 
hans-albert schrieb:
-Mosfets haben üblicherweise eine parasitäre Reversediode. Stört die hier oder ist es egal?
Zum Vergrößern anklicken....
Ja, die stört. Ist mir auch gerade eingefallen. Hab ich wohl etwas zu schnell gepostet.

Dann seht das mal als Begrüßungs-Post!

wrrdlbrrmpft
 
@Hans Albert
Der Unterschied zwischen Gold- und Ultracap ist eigentlich nur der Name, arbeiten beide mit dem Grenzschicht Effekt, afaik.
Die Symmetrierung ist relativ leicht zu machen, die 14V/100F sind z.B. 6 Zellen.
Die werden mit (weit) über 100A belastet, kein Problemn bislang...

Korrekt, die die Goldcaps höherer Spannung bestehen natürlich aus Einzelzellen, die Grenzschicht ist einfach zu dünn... Viel Spaß beim Lesen;)

@wrrdlbrrmpft
Wie geschrieben, aus der Not eine Tugend machen, Mosfets im Reversebtrieb betreiben, dann wird die Diode im Leitendzustand einfach gebrückt, in der anderen Richtung sperrt sie, wie gehabt:) Kein Problem.

Der Nikolauzi
 
nikolauzi schrieb:
Wie geschrieben, aus der Not eine Tugend machen, Mosfets im Reversebtrieb betreiben, dann wird die Diode im Leitendzustand einfach gebrückt, in der anderen Richtung sperrt sie, wie gehabt:) Kein Problem.

Der Nikolauzi
Zum Vergrößern anklicken....
Also quasi so (siehe Anhang)? Müsste funktionieren, oder?

wrrdlbrrmpft
 

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@wrrdlbrrmpft
Der Grundgedanke ist ok, aber das Problem ist die Gatespannungserzeugung:(
Da müßte man mal etwas intensiver drüber nachdenken...
Etwas viel Aufwand für das bischen weniger Verluste;)
 
Du must sicherstellen, daß zwischen Gate und Source eine Spannung >z.B.3V anliegt, damit die FETs leiten...
Das ist nicht immer so einfach, durch den Reversbetrieb:(

Habe aber noch nicht so genau über Deine Schaltung nachgedacht...

Der Nikolauzi
 
nikolauzi schrieb:
Du must sicherstellen, daß zwischen Gate und Source eine Spannung >z.B.3V anliegt, damit die FETs leiten...
Das ist nicht immer so einfach, durch den Reversbetrieb:(
Zum Vergrößern anklicken....
Das verstehe ich nicht. Während einer positiven Halbwelle (oberer Strang positiv gegenüber unterem Strang) würde m. E. T1 leitend, da U_GS negativ wird. Das muss so sein, da das Source-Potential ja über die Diode auf ein höheres Potential gehoben wird. Also wird T1 leitend, und U_GS wird noch größer. Das gilt analog für T3 mit umgedrehten Vorzeichen. T2 sollte sperren, da U_GS auf ca. 0 V (evtl. etwas darüber) liegt. Das gilt wiederum analog mit umgedrehten Vorzeichen für T4.
Bei negativer Halbwelle leiten dann halt T2 und T4, während T1 und T3 sperren.

Von der Theorie her, sehe ich da keine Probleme.

wrrdlbrrmpft

NACHTRAG: Die Schwellenspannung der FETs liegt bei etwa 1 V, und alles unter 5 V ist uninteressant, da die LEDs dort sowieso noch sperren.
 
So, habe den Gleichrichter nun, wie oben beschrieben, fertig aufgebaut. Jedoch habe ich Transistoren vom Typ IRF7403 und IRF7404 benutzt.
Der Gleichrichter ist wirklich gut. Selbst bei 700 mA ist der Spannungsverlust kleiner, als mein Messgerät aufzulösen vermag. In Zahlen ausgedrückt: Spannungsverlust ist kleiner als 10 mV! Mit Schottky-Dioden-Gleichrichter habe ich hingegen 720 mV Spannungsverlust gemessen (siehe angehängte Grafik). Bei niedrigen Geschwindigkeiten bedeutet das einen deutlich sichtbaren Helligkeitsunterschied. Und die LEDs leuchten mit MOSFET-Gleichrichtung schon bei niedrigerer Geschwindigkeit, als mit Schottky-Gleichrichter.
Bei (für mich) hohen Geschwindigkeiten und zwei LEDs in Reihe greift die Strombegrenzung des Nabendynamos. Dann bemerke ich keinen Unterschied.
Mit drei LEDs in Reihe kann ich dann schon wieder klare Differenzen feststellen.

Fazit: Auch wenn es hier außer mir keine Sau interessiert bin ich der Meinung, das sich diese Art der Gleichrichtung durchaus lohnt. Der finanzielle und bauliche Aufwand ist auch nicht viel größer als bei einem Dioden-Gleichrichter.

Viele Grüße!
wrrdlbrrmpft
 

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Finde das schon interessant ... daher mal ne ganz doofe Frage:
-Warum verwendest du verschieden Mosfets?
Ich habe selbst noch einige IRF8113-Mosfets - damit sollte das auch funktionieren - oder??

Grüße Thomas
 
superfisch schrieb:
-Warum verwendest du verschieden Mosfets?
Zum Vergrößern anklicken....
Der irf7403 ist ein n-Kanal-, der irf7404 ein p-Kanal-Typ. Das muss auch so sein, weil die Transistoren ja direkt von der Wechselspannung angesteuert werden. Ein n-Kanal-Typ schaltet bei positiver Gate-Source-Spannung durch, der p-Kanal-Typ bei negativer. Wenn eine detaillierte Funktionsbeschreibung der Schaltung gewünscht ist, kann ich das gerne erklären. Das ist aber auch gar nicht schwierig nachzuvollziehen, wenn man weiß, wie so ein Transistor funktioniert.

wrrdlbrrmpft
 
Hier gibt es noch zwei Grafiken zur Verlustleistung. Die Grafik für den Wirkungsgrad bezieht sich auf Betrieb mit zwei LEDs.
Die Werte für den MOSFET-Gleichrichter sind auch hier in beiden Fällen nur worst-case, in Wirklichkeit also eher noch besser. :)

wrrdlbrrmpft
 

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Hi wrrdlbrrmpft ,
deine Grafiken sehen überzeugend aus; eine Frage habe ich jedoch: funktioniert deine Schaltung auch mit 1-Watt-Luxeons? Ich plane eine vom SON angetriebene Beleuchtungsanlage zu bauen mit je 3x1Watt nach vorne und 1x1Watt nach hinten, und es interessiert mich, ob ich deine Mosfet-Schaltung dafür einfach eins zu eins übernemen kann.
viele Grüße aus Wuppertal,

Martin Winterscheidt
 
wrrdlbrrmpft schrieb:
So, habe den Gleichrichter nun, wie oben beschrieben, fertig aufgebaut. Jedoch habe ich Transistoren vom Typ IRF7403 und IRF7404 benutzt.
Der Gleichrichter ist wirklich gut. Selbst bei 700 mA ist der Spannungsverlust kleiner, als mein Messgerät aufzulösen vermag. In Zahlen ausgedrückt: Spannungsverlust ist kleiner als 10 mV! Mit Schottky-Dioden-Gleichrichter habe ich hingegen 720 mV Spannungsverlust gemessen (siehe angehängte Grafik). Bei niedrigen Geschwindigkeiten bedeutet das einen deutlich sichtbaren Helligkeitsunterschied. Und die LEDs leuchten mit MOSFET-Gleichrichtung schon bei niedrigerer Geschwindigkeit, als mit Schottky-Gleichrichter.
Bei (für mich) hohen Geschwindigkeiten und zwei LEDs in Reihe greift die Strombegrenzung des Nabendynamos. Dann bemerke ich keinen Unterschied.
Mit drei LEDs in Reihe kann ich dann schon wieder klare Differenzen feststellen.

Fazit: Auch wenn es hier außer mir keine Sau interessiert bin ich der Meinung, das sich diese Art der Gleichrichtung durchaus lohnt. Der finanzielle und bauliche Aufwand ist auch nicht viel größer als bei einem Dioden-Gleichrichter.

Viele Grüße!
wrrdlbrrmpft
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Na das sieht doch Super aus. Der Wirkungsgradvorteil könnte genau das bischen Spannung ausmachen, um zwei 5W bzw. vier 2W LEDs schon bei Schrittgeschwindigkeit leuchten zu lassen.
Gibt es davon ein Platinenlayout (SMD)?

Danke und Gruß
Raymund
 
mwinte schrieb:
funktioniert deine Schaltung auch mit 1-Watt-Luxeons? Ich plane eine vom SON angetriebene Beleuchtungsanlage zu bauen mit je 3x1Watt nach vorne und 1x1Watt nach hinten, und es interessiert mich, ob ich deine Mosfet-Schaltung dafür einfach eins zu eins übernemen kann.
Zum Vergrößern anklicken....
Man muss vorsichtig sein, dass keine Spannungsspitzen über 12 V auftreten. Das wird bei vier LEDs in Reihe schon problematisch. In diesem Fall müsste man den irf7404 durch einen anderen Transistor ersetzen, der eine höhere Gate-Source-Spannung verträgt oder eine Spannungsbegrenzung mit einbauen, aber das will man nicht wirklich. Also lieber einen anderen Transistor wählen.
Der irf7403 hält bis zu 20 V aus und bereitet wohl keine Schwierigkeiten.

Ansonsten sollte man das so übernehmen können. Falls Unklarheiten bei der Wahl des Transitors bestehen, kann ich ein paar Tipps geben, welche Angaben in den Datenblättern wichtig sind.

wrrdlbrrmpft
 
raymund schrieb:
Der Wirkungsgradvorteil könnte genau das bischen Spannung ausmachen, um zwei 5W bzw. vier 2W LEDs schon bei Schrittgeschwindigkeit leuchten zu lassen.
Zum Vergrößern anklicken....
Auch hier heißt es:
VORSICHT: Der irf7404 verträgt laut Datenblatt Gate-Source-Spannungen bis 12 V. Wer mehr will, muss diesen Typ austauschen.
Gibt es davon ein Platinenlayout (SMD)?
Zum Vergrößern anklicken....
Ich habe die Transistoren auf eine Lochrasterkarte gelötet, da ich nichts besseres griffbereit hatte. Das ist nicht optimal, erfüllt aber seinen Zweck. Die Anschlüsse liegen eigentlich ziemlich günstig, so dass man den Gleichrichter mit geringem Aufwand einseitig auf kleiner Fläche (13 mm x 15 mm) unterbringen kann. Die Leiterbahnen muss man dann an vier Stellen auftrennen, Transistoren auflöten, noch drei Brücken rein, anschließen, fertig. Ich werd das mal skizzieren und hier noch irgendwo anhängen.

wrrdlbrrmpft

EDIT: Layout angehängt. Ich hoffe, dass man das so nachvollziehen kann.
 

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