Hoe kunnen decoders zo efficiënt zijn qua stroom?

[Dennis1984]

Hoi,

Hopelijk geen al te domme vraag.

Ik heb ooit eens een printje laten ontwerpen waarbij een microcontroller in potentie 18 leds aan moest sturen. De baanspanning moest daarvoor terug van (doorgaans) 16 volt naar 5 volt. Bij de leds kwamen grote 1206 weerstanden om het laatste stukje warmte op te eten. Ook kwam er een grote LM7805 op dat ding.

Maar dat moet toch allemaal veel efficiënter kunnen? Hoe kunnen gangbare decoders zo efficiënt de warmte kwijt bij het omzetten van de baanspanning naar led-spanning?

Hopelijk kunnen de elektronica experts hier wat licht laten schijnen...

Met vriendelijke groet,
Dennis

[Bert55]

Een goedkope 5V adapter gebruiken……

[Menno]

Ik heb ooit eens een printje laten ontwerpen waarbij een microcontroller in potentie 18 leds aan moest sturen. De baanspanning moest daarvoor terug van (doorgaans) 16 volt naar 5 volt. Bij de leds kwamen grote 1206 weerstanden om het laatste stukje warmte op te eten. Ook kwam er een grote LM7805 op dat ding.

Maar dat moet toch allemaal veel efficiënter kunnen? Hoe kunnen gangbare decoders zo efficiënt de warmte kwijt bij het omzetten van de baanspanning naar led-spanning?

Het belangrijkste is dat de controller op de decoder amper stroom trekt. Microcontrollers zijn echt krankzinnig zuinig tegenwoordig. Ik heb een 10F200 in een model zitten om twee LEDs te laten knipperen. Dat ding trekt op z'n hoogst 0,6 mA, heel misschien iets meer om het verlies van de meetweerstand die ik er tussen had zitten erbij te tellen. Als het 1 mA is dat al best veel.

Maar dat is het: met een zener-combinatie of spanningsdeler uit weerstanden kun je een paar mA prima opvangen zonder dat er veel warmte geproduceerd wordt. Omdat de decoder amper stroom verbruikt (let op dat alleen logische uitgangen 3,3 tot 5 Volt voeren, de rest wordt versterkt door MOSFETs, die vrijwel direct baanspanning aanbieden) past dat.

Daar komt zeker bij dat zo'n decoder wel elektronica op de grens van het mogelijke is: menig onderdeel zit hoogstwaarschijnlijk dicht tegen de grens van aanbevolen specificaties aan of er zelfs iets over heen en ook menig bestukker heeft het niet makkelijk met de enorme dichtheid van de componenten.

Op accessoire-decoders zal het wel een schakelende regelaar zijn en een paar Ampère uitgangsstroom bij een verschil tussen in- en uitgang van 15 Volt past tegenwoordig op je vingertop.

[henk]

Maar dat moet toch allemaal veel efficiënter kunnen? Hoe kunnen gangbare decoders zo efficiënt de warmte kwijt bij het omzetten van de baanspanning naar led-spanning?

Decoders verlagen in de regel de spanning naar de functieuitgangen niet. Dimmen gebeurt met pulsbreedtemodulatie.
Voorschakelweerstanden voor leds zitten op de hoofdprint van de loc of op de verlichtingsprintjes.

[Priegelman]

De baanspanning moest daarvoor terug van (doorgaans) 16 volt naar 5 volt. Bij de leds kwamen grote 1206 weerstanden om het laatste stukje warmte op te eten. Ook kwam er een grote LM7805 op dat ding.

Dat de spanning voor jouw schakeling omlaag moet heeft er waarschijnlijk vooral mee te maken dat microcontrollers doorgaans op maximaal 5V werken. Dat heeft niet zoveel met vermogen te maken.

De leds nemen niet zoveel vermogen op. Als door een led 10mA loopt (dat is al erg veel voor modelbouw) en over de led staat 3,3V (witte led) en de baanspanning is 15V, dan staat er over de serieweerstand 11,7V bij 10mA. Dat is 117mW, daar zijn geen grote weerstanden voor nodig. Misschien vond de ontwerper dat gewoon praktisch. Of het moeten leds voor hoog vermogen zijn geweest.

Maar dat moet toch allemaal veel efficiënter kunnen? Hoe kunnen gangbare decoders zo efficiënt de warmte kwijt bij het omzetten van de baanspanning naar led-spanning?

Houd er mee rekening dat verbruikers vaak worden aangestuurd door een halfgeleider in serie op te nemen en deze al of niet te laten pulseren de belasting (led, motor, ens.) te dimmen. Dit reduceert verliezen enorm.


Mijn antwoord is misschien wat oppervlakkig maar het is lastig in te schatten wat je wel weet en begrijpt en wat niet. Voor sommige mensen is elektronica haast zwarte magie, anderen weten er best wat over. Omdat ik dat van jou niet weet heb ik het maar simpel gehouden, als je meer wil weten moet je het maar zeggen.

[Dennis1984]

Dank Menno, Priegelman en Henk voor jullie reacties!

Menno: helder verhaal. Maar dan moet je nog best wat spanning weg laten vloeien via die weerstanden inderdaad. Dat verklaart dus ook waarom het flinke (SMD 1206) weerstanden waren (ik dacht met 1 of 2W dissipatievermogen).

In het ontwerp zitten nu NPN-transistors om de 5V van de Attiny om te zetten naar de 18V baanspanning en daarna dus weerstanden.

Priegelman: dank ook voor je uitleg. Ik begrip de basis een beetje. Ik zie veel leds van 20mA, dan is het al 2x zoveel natuurlijk en als het rode leds zijn met 2,1V maakt dat ook nog wel wat verschil. PWM begrijp ik .

Ik concludeer eigenlijk op basis van jullie antwoorden dat met de manier aan de kant van de leds niet zoveel verschillen zitten met de decoder (hooguit dat die dus FETS gebruikt, heeft dat nog voordelen t.o.v. mijn NPN?) en dat ik eens moet meten hoeveel mijn Attiny verbruikt om te zien of ik het omzetten van de 18V naar 5V nog flink kan optimaliseren.

Super bedankt alvast voor zover!

Met vriendelijke groet,
Dennis

[bask185]

Een attiny gebruikt afhankelijk van de oscillator settings 3mA of minder. Met dergelijke 'hoge' spanningen doe je er goed aan om leds in serie te zetten zodat je een veel kleinere spanningsval over de weerstand heb. Met 15V kan je 4 witte leds van ~3.2V in serie zetten, dat is 12.8V. Dan valt er over de weerstand nog maar iets van 2.2V (let ook op de drop van de gelijkrichter). 5mA en 2.2V stelt niks voor, dat red je met een 0603 weerstand.

Ik gebruik zelf atmega328 chips die wel 15mA trekken en die voer ik soms met gelijkgericht DCC wat door een spanningsregulator gaat. De printplaat wordt dan iets warm, maar dat heb ik ingecalculeerd.

20mA vind ik erg excessief voor leds. Voor smd weerstanden reken ik meestal 0.5mA en through hole leds 1mA. Het verschilt ook per kleur. Rode leds bijvoorbeeld wil ik meer geven dan groene.

...NPN-transistors om de 5V van de Attiny om te zetten naar de 18V baanspanning en daarna dus weerstanden.

Ze zetten de spanning niet om, ze schakelen naar ground toe.

Dat kan dus zowel met een npn transistor als met een mosfet.


Mvg,

Bas

[Dennis1984]

Dank Bas ook voor je reactie.

Grappig dat jij ook die leds noemt op 5mA of 10mA terwijl als ik op mouser kijk of bij JLCPCB ik toch vooral 20mA leds vind. Voor als het trouwens nog niet duidelijk was dit betreft een printplaat die IN een locomotief zit, dus niet een servo- of sein-decoder.

Ik moet dus vooral kijken om het stroomverbruik van de Attiny te beperken en als dat maar voldoende lukt kan ik dus kleinere/minder elektronica gebruiken die de baanspanning omzet naar 5V (of 3.3V) ten behoeve van die Attiny.

Met vriendelijke groet,
Dennis

[bask185]

20mA is de gemiddelde 'maximum rating' die een standaard LED heeft. Dat wilt niet zeggen dat je er ook 20mA door heen moet stouwen. Als je echter met PWM gaat dimmen dan kan je net zo goed wel die 20mA aanhouden zodat je altijd wel genoeg licht heb. Maar dimmen met een zo'n attiny85 heeft maar 3 PWM kanalen. Je zou dan kunnen kijken naar een modernere attiny zoals een 1616

Hoeveel stroom je precies wilt hebben, is ook afhankelijk van wat de LED moet doen. Is het een bermverlichting of is het een schijnwerper? Dat scheelt.

[Dennis1984]

Zei ik ergens Attiny85? Dat was dan een foutje. Er zit nu een Attiny88 in het ontwerp en ik wil dit wijzigen naar Attiny 1-series. In de huidige code is softwarematig PWM geïmplementeerd om de beperkingen van de chip te omzeilen.

De printplaat kan de verlichting van de locomotief aansturen en heeft dus inderdaad 'normale' lampjes maar ook schijnwerpers aan beide cabine-zijdes.

Met vriendelijke groet,
Dennis

[Klaas Zondervan]

De grote truc bij decoders is dat alle uitgangen geregeld worden met PWM.
Het is dus mosfet vol open, dan loopt er wel stroom, maar staat er heel weinig spanning over de mosfet. Dus weinig dissipatie.
Of de mosfet is dicht, dan staat de volle spanning over de mosfet, maar er loopt geen stroom, dus geen dissipatie.

En zoals eerder genoemd, weerstanden die voor de leds zitten, zitten niet in de decoder maar ergens anders.

[Dennis1984]

Het blijft me intrigeren. Wat voor constructie gebruikt een moderne Lokpilot5 of MN330 dan bijvoorbeeld om de baanspanning om te zetten naar 3,3V? En ik kan natuurlijk wel een dure DC-DC converter op de printplaat maken maar als het puur voor stroom voor de Attiny is is dat zo weinig verbruik (dus ook warmte) dat het t.o.v. mijn LM317/LM7805 waarschijnlijk weinig meerwaarde heeft...

Mvg,
Dennis

[henk]

Dat gaat in de regel zeer basaal met een zenerdiode. Vanwege het minieme stroomverbruik komt daar niet erg veel warmte bij vrij.
Voor de rest wordt op het printje van een locdecoder dus nergens de spanning serieus verlaagd. Het is allemaal pwm en weerstanden elders. Zie post Klaas en mezelf al in het begin.

Ik denk eigenlijk dat de opbouw van een locdecoder verder niet zoveel hulp biedt voor wat je wilt. Ik heb nog zelf locdecoders in elkaar gezet in de tijd dat een goede locdecoder iets van 200 gulden ofwel €90 (inflatie niet meegeteld) moest kosten. Dat is dus al even geleden, maar de opbouw van een locdecoder is in de kern niet veranderd. De decoder is aangesloten op de baanspanning. Eén van de twee polen wordt via een weerstand direct naar de data-ingang van de controller geleid. De baanspanning is verder aangesloten op een brugschakeling met daarachter twee eenvoudige voedingen. Een zener met kleine elco voor de 5 volt of 3,3 volt voor de controller. En alleen maar een wat grotere elco voor de rest. Voor de motorregeling en de functieuitgangen wordt de spanning dus niet meer verlaagd.

Zimo had/heeft wel een kleine decoder waarbij het mogelijk was/is de motorspanning te verlagen ten behoeve van kleine motortjes voor kleine schalen. Maar als het verschil tussen de baanspanning en de motorspanning dan te groot is, wordt de decoder loeiheet. Is vast nog wel een draadje over te vinden met decoders waarvan de componenten loskwamen en zo. 
Ik ken dus verder ook geen decoder waarbij dat kan.

[Dennis1984]

Dank Henk voor je toelichting.

Als ik het geheel energiezuiniger wil maken is dan denk ik de beste keuze kijken of ik een DC-DC converter in het circuit kan opnemen ter vervanging van de LM. En de spanning naar de leds dan ook van de 5V output daar vanaf halen zodat de voorschakelweerstanden minder hoeven te dissiperen.

Moet op zich wel lukken denk ik, mijn voornaamste uitdaging is de hoogte van de inductor, omdat de ruimte in de locomotief beperkt is.

Mvg, Dennis

[Menno]

Menno: helder verhaal. Maar dan moet je nog best wat spanning weg laten vloeien via die weerstanden inderdaad. Dat verklaart dus ook waarom het flinke (SMD 1206) weerstanden waren (ik dacht met 1 of 2W dissipatievermogen).

Ik sluit het niet uit, maar 1206 weerstanden ken ik zelf alleen maar als kwart-Watters: meer vermogen krijg je daar ook moeilijk in weggestookt zonder dat ze zichzelf lossolderen.

Priegelman: dank ook voor je uitleg. Ik begrip de basis een beetje. Ik zie veel leds van 20mA, dan is het al 2x zoveel natuurlijk en als het rode leds zijn met 2,1V maakt dat ook nog wel wat verschil. PWM begrijp ik .

Grappig dat jij ook die leds noemt op 5mA of 10mA terwijl als ik op mouser kijk of bij JLCPCB ik toch vooral 20mA leds vind.

20 mA is (vaak) het absolute maximum: het is niet de bedoeling daarop te ontwerpen. Een moderne LED geeft bij 18 mA al een enorme bak licht, zoveel licht dat je in de modelbouw vaak met 1 of 2 mA toekan, soms nog minder.

(hooguit dat die dus FETS gebruikt, heeft dat nog voordelen t.o.v. mijn NPN?) en dat ik eens moet meten hoeveel mijn Attiny verbruikt

Het enige voordeel ten opzichte van een gewone transistor is het stroomverbruik: een transistor stuur je open met stroom en die stroom heb je nodig zolang je 'm open wil sturen. Hoewel ook transistors erg efficiënt zijn en met heel weinig stroom prima schakelen, is het geen handige keus als stroomverbruik al kritisch is wat betreft warmte-ontwikkeling. Het belangrijkste bezwaar van een transistor is het verlies waar je niet onderuit komt: de collector-emitter overgang levert altijd een bepaalde spanningsval van tienden van Volts op. Nou zal het vermogen, gedissipeerd in de transistor wel meevallen bij een enkele LED (of een paar), maar feit blijft dat dat verlies niet zomaar in het niets verdwijnt maar omgezet wordt in warmte.

Een FET/MOSFET is een spanningsgestuurde transistor met veld-effect. In plaats van een stroom gaat deze geleiden bij een spanning op de gate. Is die spanning weg dan blijft 'ie vaak ook nog geleiden (al is dat niet aan te raden om op te vertrouwen, uiteindelijk loopt de gate toch leeg).
Voordeel is dat een gate dus eigenlijk geen stroom trekt. De nadelen zijn dan weer dat er zeer kortstondig (de gate gedraagt zich als een condensator) veel stroom loopt, je een pull-downweerstand op de gate naar massa (bij N-mosfets) moet plaatsen om 'm met zekerheid dicht te sturen als de ingang niet actief is om te voorkomen dat de boel gaat zweven (bij microcontrollers kan de sturende uitgang ook gaan zweven, das nog erger voor een FET) en dat je voor een microcontroller-uitgang een zogenaamde logic-level FET moet gebruiken, omdat de drempelspanning (Vgsth (Voltage Gate-source threshold) waarbij de FET goed gaat geleiden, bij reguliere FETs te hoog ligt en een uitgang van een microcontroller deze spanning niet haalt (of gedeeltelijk, waardoor de FET als regelbare weerstand gaat werken, daar zijn die niet voor bedoeld).

En daar komt het grote voordeel van FETs om de hoek kijken: ze zijn extreem efficiënt en varianten in SOIC-8 formaat die (mits op de juiste printplaat met de juiste eilandjes) 30 Ampère kunnen verstouwen zijn geen uitzondering meer. Recent kwam ik nog een DC-DC converter tegen met een ingebouwde FET met Ultra-trench technologie of zo: het 2,5x2,5 mm onderdeel met tinballetjes aan de onderkant kon in het gunstigste geval iets van 12 Ampère aan. Het enige wat er nog bij moest was een spoeltje, maar door de extreem hoge frequentie paste het totaal met gemak op je pinknagel.

Wat betreft het verbruik van je Attiny: tenzij je een duurdere (90-100 euro en hoger) meter met micro-Ampère stand hebt ga je dat onmogelijk een beetje betrouwbaar kunnen meten: microcontrollers zijn er gewoon te zuinig voor geworden.

En ik kan natuurlijk wel een dure DC-DC converter op de printplaat maken maar als het puur voor stroom voor de Attiny is is dat zo weinig verbruik (dus ook warmte) dat het t.o.v. mijn LM317/LM7805 waarschijnlijk weinig meerwaarde heeft...

En de spanning naar de leds dan ook van de 5V output daar vanaf halen zodat de voorschakelweerstanden minder hoeven te dissiperen.

Moet op zich wel lukken denk ik, mijn voornaamste uitdaging is de hoogte van de inductor, omdat de ruimte in de locomotief beperkt is.

Reken maar dat een schakelende converter ruim, zeer ruim efficiënter is dan je 317 of 7805: dat zijn beide lineaire regelaars en bij de 317 wordt de stroom door een instelweerstand gebruikt om de uitgang mee in te stellen, Daarnaast staan ze altijd 'aan', ook als ze geen aangesloten belasting hebben: het verschil tussen in- en uitgangsspanning moet ergens blijven en dat wordt omgezet in warmte. Trek je meer stroom, dan worden ze ook warmer.

Een schakelende regelaar staat bij gebrek aan belasting (als dat kan) in 'discontinous mode': dan wordt de regelaar alleen aangezet zolang als dat nodig is en verder zorgen de uitgangs-capaciteiten wel voor het op peil houden van de spanning in de tussentijd. Daarnaast wordt de energie, opgeslagen in een spoel gebruikt om de spanning te verlagen. Dat maakt dergelijke regelaars ongelooflijk efficiënt. Dergelijke IC's zitten bijvoorbeeld op zo'n powerpack van ESU/train-o-matic. De goldcap om de energie in op te slaan is zonder meer het allergrootste onderdeel, de rest past op je vingertop.

En de spanning naar de leds dan ook van de 5V output daar vanaf halen zodat de voorschakelweerstanden minder hoeven te dissiperen.

Moet op zich wel lukken denk ik, mijn voornaamste uitdaging is de hoogte van de inductor, omdat de ruimte in de locomotief beperkt is.

Ik zou zelf de spanning voor de LEDs juist niet van de 5V voedingsspanning halen, tenzij het een schakelende regelaar is, want relatief onzuinige verbruikers als LEDs (relatief vergeleken met het verbruik van de controller) zijn dan een flinke verhoging van het stroomverbruik.

Let op dat een DC-DC converter helemaal niet duur en al helemaal niet groot is als het maar om tientallen milli-Ampère uitgangsstroom gaat. Ook die zijn extreem veel beter geworden in de afgelopen 20 jaar. Het grote nadeel is dat het ontwerpen van zoiets absoluut niet makkelijk is. Ik had al grote moeite om een voeding op basis van een LM2576 (en later 2596) te bouwen en dat zijn dan nog relatief ouderwetse (en dus traag schakelende) chips voor dat soort zaken. Bij toenemende frequentie stijgt ook de moeilijkheidsgraad en moeilijkheid wat betreft verkrijgbaarheid van onderdelen.
Wat betreft dat laatste: koop die niet bij Aliexpress, want daar krijg je over het algemeen veel te weinig info om te kunnen bepalen of de rand-onderdelen geschikt zijn. Zelfs bij de grote jongens (Würth Elektronik, Murata, TDK) moet je vaak al flink zoeken in de databladen om te onderzoeken of de spoel geschikt is (want je zal zien dat het aanbevolen model spoel in het datablad van de regelaar-fabrikant niet te krijgen is...)