12-V-LED-Streifen dimmen

Fünf Meter LED-Streifen unter der Küchenzeile, hinter dem Fernseher oder in der Deckenvoute: Sie sollen sich stufenlos dimmen und am besten auch von warm nach kalt verstellen lassen, gesteuert per WLAN. Ein einzelner Kleinsignaltransistor wie im NPN-Low-Side-Schalter ist bei 2 A pro Kanal überfordert. Hier arbeiten MOSFETs, die von einem Gate-Treiber mit voller 12-V-Gate-Spannung angesteuert werden, und ein ESP32 erzeugt die PWM.

Das Beispiel ist ein CCT-Streifen („Tunable White“) mit zwei Kanälen: einer Reihe warmweißer und einer Reihe kaltweißer LEDs und gemeinsamer Plusleitung. Für einfarbige Streifen lässt du einen Kanal weg, für RGB nimmst du einen dritten dazu.

Schaltplan

• ESP32-Board: erzeugt zwei PWM-Signale mit 3,3 V. Seine 5-V-Versorgung kommt aus einem kleinen Step-down-Wandler an den 12 V (nicht gezeichnet), siehe Buck-Wandler.
• R1, R2 (10 kΩ): halten die Treibereingänge auf Low, solange der ESP32 bootet. Sonst blitzt der Streifen beim Einschalten auf.
• IC1, TC4427: zwei nicht invertierende Gate-Treiber in einem DIP-8. Er erkennt 3,3 V sicher als High (ab 2,4 V) und gibt die vollen 12 V an die Gates.
• R3, R4 (10 Ω): dämpfen Schwingungen auf den Gate-Leitungen.
• T1, T2 (IRLZ44N): MOSFETs als Low-Side-Schalter, je einer pro Kanal.
• Streifen: gemeinsame Anode an +12 V, die Minusleitungen der Kanäle an den Drains.
• C1 (470 μF), C2 (1 μF): Pufferung der 12 V; C2 direkt am Treiber.

So funktioniert die Schaltung

Jeder MOSFET schaltet seinen Kanal mit 5 kHz ein und aus. Die LEDs leuchten in der Ein-Phase mit vollem Strom und sind in der Aus-Phase dunkel. Das Auge mittelt über die Zeit und sieht eine Helligkeit, die dem Tastverhältnis entspricht. Anders als beim Dimmen über die Spannung bleibt dabei die Lichtfarbe der LEDs gleich.

Der Gate-Treiber löst zwei Probleme auf einmal. Erstens ist ein MOSFET erst mit 4 bis 10 V Gate-Spannung voll durchgeschaltet; 3,3 V vom ESP32 genügen bei den meisten Typen nicht (Logic-Level-MOSFET). Zweitens muss die Gate-Kapazität bei jeder Flanke umgeladen werden. Der Treiber liefert dafür bis 1,5 A Spitzenstrom, der ESP32-Pin nur wenige Milliampere.

Helligkeit und Gamma: Das Auge empfindet Helligkeit nicht linear. Halbes Tastverhältnis wirkt nicht halb so hell, sondern fast so hell wie voll. Damit ein Schieberegler gleichmäßig dimmt, rechnet das Programm die Einstellung mit einer Gammakurve um:

Wie Leuchtdioden Strom und Helligkeit verknüpfen, steht unter LED.

Dimensionierung

1. Strom pro Kanal. Der Streifen hat laut Datenblatt 4,8 W pro Meter und Kanal. Für 5 m:

Beide Kanäle voll: 4 A und 48 W. Ein Netzteil mit 12 V und 5 A ist dann zu 80 % ausgelastet. Viele CCT-Steuerungen begrenzen die Summe auf einen Kanal voll; dann genügen 3 A.

2. MOSFET. Mit 12 V Gate-Spannung hat der IRLZ44N höchstens 22 mΩ:

Der Treiber lädt die Gate-Ladung von 48 nC mit rund 1 A in etwa 50 ns um. Die Schaltverluste bei 5 kHz:

Zusammen unter 0,1 W, kein Kühlkörper nötig (Wärme und Kühlung).

3. PWM-Frequenz und Auflösung. Unter etwa 200 Hz sieht man Flimmern bei schnellen Augenbewegungen, Handykameras zeigen Streifen bis in den Kilohertzbereich. 5 kHz sind sicher. Der ESP32 teilt seine 80 MHz für die PWM herunter; bei 12 Bit (4096 Stufen) sind bis 19,5 kHz möglich. Die kleinste Stufe dauert bei 5 kHz 200 μs / 4096 ≈ 49 ns – kürzer als die Schaltzeit des MOSFETs. Die untersten Werte bis etwa 4 zeigen deshalb kaum Unterschiede.

4. Zuleitung. Vom Netzteil zum Streifen sind es 3 m. Mit 0,75 mm² Querschnitt und 4 A fallen auf Hin- und Rückleiter zusammen

ab, fast 5 % – das Ende des Streifens wird sichtbar dunkler. Mit 1,5 mm² sind es 0,28 V. Den Querschnitt prüfst du mit dem Rechner; mehr zur Auslegung steht unter Leitungen dimensionieren.

Arduino-Programm (ESP32)

const int WARM = 25, KALT = 26;
const int FREQ = 5000;      // Hz
const int BITS = 12;        // 0 … 4095

// helligkeit: 0,0 … 1,0 (wie empfunden), warm: 0,0 = nur kalt … 1,0 = nur warm
void setze(float helligkeit, float warm) {
  float licht = pow(helligkeit, 2.2);          // Gammakorrektur → lineares Licht
  ledcWrite(WARM, (uint32_t)(licht * warm * 4095 + 0.5));
  ledcWrite(KALT, (uint32_t)(licht * (1 - warm) * 4095 + 0.5));
}

void setup() {
  ledcAttach(WARM, FREQ, BITS);                // ESP32-Core 3.x
  ledcAttach(KALT, FREQ, BITS);
  setze(0, 0.5);
}

void loop() {
  for (int i = 0; i <= 100; i++) {             // 5 s sanft hochdimmen
    setze(i / 100.0, 0.8);
    delay(50);
  }
  delay(3000);
  for (int i = 100; i >= 0; i--) {
    setze(i / 100.0, 0.8);
    delay(50);
  }
  delay(1000);
}

Die Gammakorrektur wirkt auf die Gesamthelligkeit, die Aufteilung auf die Kanäle erfolgt danach im linearen Licht. So bleibt die Helligkeit gleich, wenn du nur die Farbtemperatur änderst. Im ESP32-Core 2.x heißen die Funktionen ledcSetup und ledcAttachPin und arbeiten mit Kanalnummern statt Pins.

Bauteilliste

Varianten

RGB-Streifen. Drei Kanäle für Rot, Grün und Blau; ein zweiter TC4427 übernimmt den dritten Kanal. Die Gammakorrektur gilt für jede Farbe einzeln.

Ohne Treiber. Für kurze Streifen bis etwa 1 A genügt ein MOSFET, dessen Durchlasswiderstand schon bei 2,5 V Gate-Spannung garantiert ist, direkt am ESP32-Pin. Mit einem 5-V-Arduino schaltet ein IRLZ44N auch ohne Treiber durch, wie in MOSFET als Low-Side-Schalter; bei 490 Hz PWM bleiben die Schaltverluste klein.

24-V-Streifen. Halber Strom bei gleicher Leistung, weniger Spannungsfall auf Streifen und Zuleitung. Treiber und MOSFETs bleiben gleich, der TC4427 verträgt aber nur 18 V – er bekommt dann eine eigene 12-V-Versorgung.

Adressierbare Streifen. Bei WS2812-Streifen regelt jede LED selbst, der Controller schickt nur Daten, siehe WS2812-LED-Streifen.

Ohne Mikrocontroller. Ein NE555 als PWM-Generator mit Potentiometer dimmt einen Kanal von Hand. Die Treiberstufe bleibt dieselbe wie bei der Motordrehzahl per PWM.

Typische Fehler

• Streifen leuchtet nur schwach, MOSFET wird heiß: Fertige „IRF520-Module“ oder Standard-MOSFETs direkt am 3,3-V-Pin schalten nicht voll durch. Miss die Spannung zwischen Drain und Source bei voller Helligkeit: Mehr als 0,2 V heißt, das Gate bekommt zu wenig Spannung.
• Streifen blitzt beim Einschalten: Pull-downs an den Treibereingängen fehlen, oder du hast Boot-Pins des ESP32 erwischt (GPIO 0, 2, 5, 12, 15).
• Ende des Streifens ist gelblich oder dunkler: Spannungsfall auf Streifen und Zuleitung. Streifen an beiden Enden einspeisen, Zuleitung dicker.
• Flimmern im Handyvideo: PWM-Frequenz zu niedrig. 5 kHz oder mehr einstellen.
• Dimmen wirkt ungleichmäßig, oben passiert kaum etwas: Gammakorrektur fehlt.
• ESP32 startet neu, wenn der Streifen angeht: Die 12 V brechen ein oder Störungen gelangen über die Masse. C1 am Streifenanschluss, Masse des ESP32 sternförmig am Netzteil anschließen.

Selbsttest