Konstantstromquelle fuer Power LED

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Allgemeines

Für den Betrieb von Leistungs-LEDs sind normalerweise getaktete Stromregler erforderlich. Als Leistungs-LEDs bezeichnet man im Allgemeinen Leuchtdioden mit 1W oder mehr Leistung. Die Nennströme zum Betrieb liegen meist in den Klassen 350mA, 700mA und 1.2A. Abhängig von der jeweiligen Durchlaßspannung ergeben sich nicht exakt die angegebenen Leistungen.

Der jeweils erlaubte maximale Strom ist dem LED-Datenblatt zu entnehmen!

Auch um verschiedene Helligkeiten bei verschiedenen LED-Typen und -Farben aneinander anzupassen, ist es erforderlich, den Strom anpassen zu können. Eine lineare Konstantstromquelle kann in dieser Leistungklasse zu hohen Wärmeverlusten führen, sofern nicht die Eingangsparameter genau dimensioniert werden.

Beispiel: Betrieb einer 1W-LED an 12V

[math]\displaystyle{ P_V = (U_{ges}-U_{Led}) \cdot I_{Led} = (12V-3,3V) \cdot 300mA = 2.6W }[/math]

Man verwendet also besser einen Schaltregler. Ein Schaltregler, dessen Ausgangsspannung - wie in diesem Fall - kleiner als die Eingangsspannung ist, heisst im englischen Sprachraum "Buck"-Regler. Es gibt spezielle Bausteine für den Betrieb von Power-LEDs. Diese sind auf die Anwendung mit LEDs spezialisiert, haben meist nur 5 Anschlüsse, sind aber teilweise noch recht schwierig erhältlich und teuer. Der Standard-Schaltregler-IC MC34063 wurde bereits im Forum beschrieben. Hier wird eine Vereinfachung der Schaltung speziell für dessen Einsatz zur LED-Versorgung beschrieben.

Standard-Buck-Reglerschaltung

In der folgenden Schaltung wird der weit verbreitete IC MC34063 eingesetzt, welcher allerdings nicht auf die Anwendung mit LEDs optimiert ist!

Spannungsregler mit Buck-Regler


Die Standardschaltung verwendet einige Bauteile, die für den Betrieb von LEDs nicht erforderlich sind. So ist es zum Betrieb von LED nicht erforderlich, den Strom vollkommen konstant zu halten. Eine schnelle, geringfügige Stromänderung (engl. Ripple) wird vom Auge nicht wahrgenommen und für die LED ist der mittlere Strom maßgeblich für die Helligkeit. Auch hier gilt: Ein Blick ins Datenblatt der LED ist unumgänglich, insbesondere wenn man im Grenzbereich von Temperatur und Leistung arbeitet!

Vereinfachte Schaltung für LEDs

Diese reduzierten Anforderungen an die Konstanz des Ausgangsstroms vereinfachen die Schaltung stark. Ausser dem IC selber und der LED werden hier nur sechs statt acht Bauteile verwendet.

Vereinfachter Stromregler für LEDs


Bei dieser Schaltung ist jedoch zu beachten, dass sie nicht ohne Last betrieben werden sollte. Zwischen Basis und Emitter des Ausgangstransistors liegt ein interner Widerstand von 100 Ohm, durch den Strom fließt, so lange der Ausgangstransistor eingeschaltet ist. Da ohne eine Last nie der Soll-Strom erreicht wird, liegt die Einschaltdauer bei näherungsweise 100%. An 12V ergibt sich damit ein Strom von 120mA durch den Widerstand, entsprechend einer Leistung von 1,5W. Dies liegt deutlich über den zulässigen 1,25W (DIP) bzw. 625mW (SOIC). Auch im Normalbetreib kann die zulässige Verlustleistung bei hohem Duty-Cycle oder hoher Eingangsspannung schnell überschritten werden.

Fertigmodul

Beim Autor sind komplette Module erhältlich, mit denen man eine oder zwei LEDs in Reihenschaltung an 12V Wechselspannung als Ersatz für Halogenlampen betreiben kann. Das unten gezeigte Modul betreibt 1W oder 3W-LEDs und ist für unter 3 EUR erhältlich. Es enthält zusätzlich einen Brückengleichrichter zum Betrieb an 12V Wechselspannung!

Minimodul zum Einbau in Halogenspots


Schaltung des Minimoduls


Stromeinstellung

Der strombestimmende Widerstand kann an den erforderlichen Ausgangsstrom angepasst werden. Der verwendete Schaltkreis hat einen Maximalstrom von 1.5A, er sollte aber nur für Power-LED mit 3W, also bis zu ca. 700mA Dauerstrom verwendet werden!

[math]\displaystyle{ I_{out}=\frac{0.3}{R_S} }[/math]

Dimmung

Der Stromregler wird nicht durch Ändern des LED-Stromes gedimmt. Das wäre zwar technisch möglich, wird aber normalerweise nicht angewendet. Stattdessen wird der gesamte Stromregler ein- und ausgeschaltet (PWM). Dafür verwendet der vorliegenden IC Pin 5, welches jedoch von der Platine abgehoben werden muss. Das PWM-Signal muss hier invertiert sein, d.h. bei einer Spannung kleiner als 1,25V ist die LED eingeschaltet und bei größer 1,25V ist sie ausgeschaltet. Damit kann das Signal direkt an einen Mikrocontroller angeschlossen werden. Ohne Gleichrichter wird an 12V Gleichspannung ein Wirkungsgrad von ca. 78% erreicht. Das ist für diese einfache, preiswerte Schaltung ziemlich gut.

Minimale Schaltung für Gleichspannungsbetrieb


Ein Nachteil dieser etwas zweckentfremdeten Ansteuerung ist eine leichte Verzögerung beim Einschalten. Das folgende Oszillogramm zeigt diese mit ca. 10µs. Sie führt dazu, dass Einschaltphasen der PWM kleiner als 10µs die LED nicht einschaltet, das muss beim Auslegen der PWM berücksichtigt werden! Bei üblichen Ansteuerfrequenzen im Bereich von 100-300 Hz ist diese Verzögerung aber vernachlässigbar. Das Oszillogramm zeigt auch die Frequenz der Stromregelung mit ca. 100kHz

Einschaltverzögerung



Noch heller

Das 12V AC Modul kann problemlos bei geringerer Betriebsspannung am Fahrrad als Treiber für eine Power-LED benutzt werden. Es können sogar 3 LED in Reihe mit nur einem Modul betrieben werden! Allerdings reichen dann 12V als Betriebsspannung nicht mehr aus, schliesslich addieren sich ja alle drei Flussspannungen und bei 3 x Blau in Reihe sind das ja schon fast 12V! Also: Betriebsspannung auf 20..24V DC oder 18V AC erhöhen!

Zusammenfassung

Mit dem oben gezeigten Modul kann man sehr günstig per Mikrokontroller Power-LEDs regeln. Die Bezugsquelle für die Module ist beim Autor erfragbar.

Alternativ gibt es hier ein Archiv mit den Daten in Eagle-Format. Darin sind zwei Versionen enthalten. Einmal mit bedrahteten Bauelementen als einfache, einseitige Platine und einmal komplett in SMD mit zweiseitiger Bestückung für minimale Größe.

Stückliste, Konstantstromquelle mit 300mA
mit Reichelt Bestellnummern
Bauteil Beschreibung SMD THT
C1 Kondensator, 10µF, 35V SMD TAN.10/35 RAD 10/35
C2 Kondensator, 330pF, 35V NPO-G1206 330P NPO-2,5 330P
D1 Schottky-Diode, 1A, 40V LL 5819 SMD SB 140
L1 Spule, 0,4A, 470µH L-PIS4720 470µ L-11P 470µ
R1 Widerstand, 1Ω SMD 1/4W 1,0 METALL 1,00

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