Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Stromversorgung ganz vieler LEDs


von Paul H. (powl)


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Hi!

Ich möchte demnächst ganz viele weiße LEDs mit Strom versorgen. Die 
Spannung soll aus 12V mittels eines Step-Down Reglers erzeugt werden. 
Nun soll das ganze möglichst effektiv werden, d.h. es soll wenig Energie 
an Vorwiderständen verloren gehen. Wenn ich das ganze mit 5V betreibe 
und 3,3V brauchen die LEDs bei meinetwegen 30mA Strom und das an 100 
LEDs, dann sind das 5Watt verlust. Ist zwar nicht viel aber trotzdem 
blöd.

Ist es auch möglich die Vorwiderstände für 4V auszulegen oder wird dann 
ihr Effekt zu gering?

Es sind weiße LEDs vom namhaften Hersteller Nichia mit 44000mcd. Meint 
ihr die Exemplarstreung ist da sehr groß oder wäre es möglich alle LEDs 
parallel an einer Konstantstromquelle mit 3A zu betreiben? Die LEDs 
verkraften soweit ich weiß auch 50mA. Je nach Steilheit der Kennlinie 
für die Flusspannung müsste sich der unterschiedliche Stromfluss ja im 
Rahmen halten.

So Effekte wie Temperaturdrift und alterungsbedingte Änderung der 
Flussspannung wirken sich ja auf alle LEDs gleichzeitig aus und der 
Regler regelt den Strom trotzdem sauber auf 3A aus.

Oder ist hier eher von abzuraten und die 5W Verlust in Kauf zu nehmen?

lg PoWl

von gast (Gast)


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step up wandler und dann immer viele in reihe
paralell wird nicht gehen weil wenn eine verreckt bekommen die anderen 
immer mehr strom ab etc usw -> dominoeffekt

von Paul H. (powl)


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stimmt, das wär auch ganz gut. Allerdings bräuchte ich dann schon einige 
Step-Up Wandler bei 100LEDs, die jeweils eine Flussspannung von 3,3V 
haben möchten. Das wären 330V. Also müsste ich so um die 10 
StepUP-wandler nehmen.

Zusatzaufgabe: Die LEDs sollen gedimmt werden können zwecks ein- und 
ausfaden.

von Brain (Gast)


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Du musst ja nicht alle in Reihe schalten - sinnvoller sind hirer eher 
mehrere lange Reihenschaltungen und diese Reihenschaltungen dann 
parallel.
Das geht, wobei du hier natürlich in jedem Strang einen Vorwiderstand 
hast und nicht einen Zentralen vor der Parallelschaltung.
Sonst kann es zum von Paul Hamacher beschriebenen Massensterben 
kommen...

von Jojo S. (Gast)


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ich habe gestern gelernt das man die High-Power LEDs in Reihe schalten 
kann (mit Stromregelung und Spannungsüberwachung). Wenn diese LEDs 
kaputtgehen dann werden sie niederohmig und die Stromregelung muss das 
ausgleichen bzw. die Spannungsüberwachung Alarm melden.

von Εrnst B. (ernst)


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Wenn du eh schon den Aufwand für einen Drosselwandler hast, nimm den 
Vorwiderstand ganz raus, und lass den Wandler den Strom konstanthalten.
(Idee: Regelkreis im Wandler versucht nicht die Spannung, sondern den 
Strom konstant zu halten)

So bleibt nur der Wandlerverlust übrig, und kein Heizwiderstand...

Beispielschaltungen dafür gibts hier: Konstantstromquelle

von Michael (Gast)


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Bei der Konstantstromquelle ist wieder das Problem da, dass man entweder 
für jede LED eine braucht oder aber, wenn die LEDs parallel sitzen, der 
Ausfall einer LED den anderen LEDs mehr Strom zu führt => Massensterben 
setzt ein. Bliebe noch die Reihenschaltung der LEDs, da die aber gedimmt 
werden sollen...nunja, soll denn jede LED dimmbar sein oder alle 
gleichmäßig? Ich denke mal, Konstantstromquelle ist hier ungeeignet, da 
wäre Paul schon selbst drauf gekommen.

von Uhu U. (uhu)


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Man braucht einen Step-Up, der als Konstantstromquelle geregelt wird und 
schaltet entsprechend viele LEDs in Reihe.

Wenn eine ausfällt, regelt der Wandler die Spannung runter, um den 
Sollstrom einzustellen.

Zum Dimmer: Das geht über die PWM im Wandler.

von Paul H. (powl)


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Es sollten alle auf einmal dimmbar sein.

Aber das gibt wahrscheinlich Probleme mit dem Step-Up Stromregler, oder? 
Wenn ich vor die LEDs einen Transistor setze und diesen im PWM-Zyklus 
abschalte, wird der Stromregler versuchen die Spannung zu erhöhen, um 
den Strom wieder auf das konstante Niveau zu kriegen, da jedoch kein 
Strom fließen kann wird die Spannung beliebig hoch steigen, das darf sie 
aber nicht da sonst der Regler sich selbst killt und der 
Pufferkondensator mit hoher Spannung geladen wird, um die LEDs nach 
Durchschalten des Transistors mit Stromstößen zu killen.

Vielleicht wäre ein Konstantspannungsregler und eine nachfolgende 
Konstantstromquelle geeigneter? Oder eine intelligentere Lösung, bei der 
ein µC das ganze steuert, der könnte dann den Strom messen und mit 
Einstellen der Ausgangsspanung des Step-Up Reglers auch die Helligkeit 
der LEDs.

lg PoWl

von Stefan K. (_sk_)


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Schau Dir mal den TI-Regler TPS40211 an.

Damit kannst Du ca. 10 LEDs in Serie schalten und per PWM dimmen.
Falls der Regler nicht in Frage kommt, stehen im Datenblatt immer noch 
interessante Ansätze zu Deinem PWM-Problem drin.

Viele Grüße, Stefan

von Michael (Gast)


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Hm, wie wäre es mit einer spannungsgesteuerte Stromquelle? Wäre das denn 
keine Möglichkeit? Damit kann man den LEDs ja immer einen anderen Strom 
einprägen und damit wird ja die Helligkeit geregelt. Oder wird diese 
Möglichkeit ausgeschlossen?

von Paul H. (powl)


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Ja hast völlig recht, eine spannungsgesteuerte Stromquelle bräuchte ich, 
allerdings für nur 30mA, hohe Spannung und als Step-Up Schaltregler^^

von Matthias L. (Gast)


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>Ja hast völlig recht, eine spannungsgesteuerte Stromquelle bräuchte ich,
>allerdings für nur 30mA, hohe Spannung und als Step-Up Schaltregler^^

Genau das brauchst du

;-)

von Michael (Gast)


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Und als Step-Up-Schaltregler? Nunja, eine Stromquelle mit genügend hoher 
Betriebsspannung würde es ja auch tun aber das ist das Problem, die hohe 
Spannung. Willst du die 100 LEDs auf einmal schalten? Wahrscheinlich ja. 
Vielleicht könnte man die 100 LEDs aufteilen, z.B. wenn man 10 gleiche 
Stromquellen nimmt und alle gleichzeitig ansteuert. 30 mA sind ja kein 
Ding für ne Stromquelle. Problem wird dann vielleicht die 
unterschiedliche Temperaturdrift der einzelnen Stromquellen sein.

von Paul H. (powl)


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Die meisten Wandler machen ja so um die 40-50V mit. Bei einer 
durchschnittlichen Flussspannung von großzügigen 3,4V entspricht das 
11-15 LEDs.

jedoch brauch ich dann auch um die 7-10 Konstantstromquellen. 
Temperaturdrift müsste ja kein Problem sein, der Strom wird so oder so 
konstant gehalten.

lg PoWl

von Matthias L. (Gast)


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>der Strom wird so oder so konstant gehalten.
Haha. Wenn aber der Vergleichswert wegläuft...?

>7-10 Konstantstromquellen. Temperaturdrift...
Koppel doch einfach die aktiven Elemente thermisch. Schraub alle auf 
einen Kühlkörper.

von Benedikt K. (benedikt)


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Ich würde immer 10 LEDs in Reihe schalten, und dann noch 100 Ohm um die 
Toleranzen auszugleichen (die 100 Ohm kann man gleichzeitig auch als 
Strommesswiderstand verwenden). Davon dann mehrere Ketten parallel. 
Geregelt wird dann zwar nur eine Kette (oder wenn man nicht direkt an 
den 100 Ohm Widerstand geht, sondern alle 100 Ohm Abgriffe über 
Widerstände zusammenführt der Mittelwert alles Ströme), aber wenn die 
Toleranzen nicht allzugroß sind, bekommen alle LEDs in etwa den selben 
Strom. Kleinere Änderungen durch Temperaturdrift usw. werden durch die 
100 Ohm Widerstände abgefangen.

von Michael (Gast)


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Meinst du eine Stromquelle und dann mehrere Ketten von 10 LEDs parallel 
anschließen? Wenn ja, diesen Vorschlag halte ich für äußerst kritisch. 
Wenn eine Kette ausfällt muss der Strom dann von den restlichen Ketten 
aufgefangen werden, bzw. die Stromquelle prägt den Strom ja ein und der 
ist es egal wieviel Ketten da sind. Die Folge ist klar, das 
Massensterben ist nicht fern.

>>der Strom wird so oder so konstant gehalten.
>Haha. Wenn aber der Vergleichswert wegläuft...?

Ich dachte tatsächlich an die einfache Stromquelle mit 
Bipolartransistor. Wenn der warm wird läuft Ube weg und damit der 
Vergleichswert -> deshalb die Temperaturdrift. Eine Thermische Kopplung 
wäre eine Idee. Es gibt aber bestimmt auch andere Stromquellen, z.B. mit 
OPs. Da fehlt mir aber die Erfahrung. Ich hab für konstante Ströme 
bisher immer Spannungsregler "missbraucht", da ist Temperaturdrift eher 
gering. Allerdings weiß ich nicht, wie man mit Spannungsreglern 
spannungsgesteuerte Stromquellen aufbauen kann. Eine OP-Schaltung hilft 
hier dann wohl eher weiter.

Eben bei der hohen Flussspannung denke ich schon, dass du mehrere 
Stromquellen verwenden musst. Wenn du nur eine hast und alle in Reihe 
schaltest sind das bei 100 LEDs ja schon 340V Gleichspannung, nicht grad 
ungefährlich und ich würde versuchen das zu vermeiden. Bei einer 
Parallelschaltung besteht halt die Gefahr des Massensterbens weil 
plötzlich alle noch heilen LEDs möglicherweise den Strom der defekten 
LEDs übernehmen müssen.

Ach, ich weiß auch nicht, ist nicht grad einfach. Ich würde mir wohl die 
Arbeit machen und zehn Stromquellen zum Einsatz bringen. Aber ich denke, 
das ist Geschmackssache.

von Paul H. (powl)


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Als Konstantstromquelle muss ich Step-Up Regler verwenden weil mir nur 
eine 12V Spannung zur Verfügung steht. Der MC34063 (siehe 
Konstantstromquelle) verkraftet also nur 40V? Aber wo denn? Am 
Schalttransistor, oder? Ich könnte ja extern einen Hochvolt Transistor 
nehmen (natürlich ist es nicht empfehlenswert dann die Schaltung noch 
anzufassen.) Das Problem könnte dann nur der Kondensator werden, der 
diese Spannung verkraften muss, aber bei 30mA ist die Kapazität nicht so 
kritisch und Kondensatore bis 100V sind ja drin.

Der Regler scheint die Ausgangsspannung intern mit einer Referenz zu 
vergleichen. Über den Widerstand RX wird dann wohl eine Shuntmessung 
gemacht. Den Widerstand könnte ich ja durch einen Mosfet ersetzen, 
wessen Gate ich über einen µC steuer und somit einen einstellbaren 
Konstantstrom erhalten.

das blöde ist nur, dass ich dann wirklich 10 mal diese blöde Schaltung 
brauch. Da überleg ich mir zweimal ob es nicht einfacher ist, einfach 
einen Vorwiderstand an jede LED zu löten, das Ganze mit 5V zu betreiben 
und den geringen Wirkungsgrad von immerhin fast 70% in Kauf zu nehmen. 
Ich schätze mal eine Halogenlampe hat da nicht mehr, geht jedoch 
schneller kaputt.

Je nach Fertigungstoleranz würde ich behaupten, ist es auch möglich, die 
LEDs über eine einzige Konstantstromquelle zu betreiben die 3A raushaut. 
Wenn die eine LED dann 32mA und die andere nur 28mA abkrigt, ist das 
nicht schlimm. Da müsste man halt mal ausprobieren bzw. messen wie sich 
das bei Konstantspannung so verhält. Hängt halt von der Steilheit der 
U/I Kurve ab und der Güte der LEDs.

Ich denke wir können das Thema nun beenden, wird sich noch eine weile 
hinziehen bis ich das wirklich realisiere, 100 dieser LEDs kosten 
immerhin 100€ von Nichia und 50€ von NoName bei eBay.

An die Lichtleistung einer 55W Halogenlampe werden sie nur bei 5facher 
effizienz rankommen, und das ist einfach noch nicht der Stand der 
Technik.

lg PoWl

von Thomas (kosmos)


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Allen Unkenrufe zum Trotz betreibe ich ca. 100 UV Leds an einer 
selbgebauten Konstantstromquelle parallel ohne Widerstand. Wenn die LEDs 
selektiert sind sollte man sich schon aufs Diagramm des Durchlassstromes 
verlassen können.

Die Regelung sollte aber gut funktionieren, beim Diagramm sieht man das 
bei ca. 1,74V 20mA fließen bei 1,8V sinds dann aber schon 40mA.

von Kille H. (kille)


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Hallo,

also ich habe da grad so ein änliches Projekt gemacht. Dabei hab ich 176 
LEDs verbaut. Ich hab die zu Strängen von je 11 stk. zusammengefasst und 
mit einem Vorwiderstand den Strom auf ca. 20mA begrenzt. Das Ganze 
speise ich mit 42V DC versorgt. Damit wenn ich mal ausgehe das die LED 
eine Vorwertsspannung von etwa 3,4V hat komm ich auf 37,4V. Das heist am 
Vorwiderstand fallen knap 5V (R ca 250ohm) ab. So schlecht ist der 
Wirkungsgrad da jetzt nicht (ungefähr 85%). Diese Lösung ist einfach 
simpel. Dimmen wär jetzt kein problem mit z.b. einer PWM.

Also insofern KISS (keep it simple and stupit), so hast du eigentlich 
nur die kosten für die LEDs (die man auch billiger bekommen kann), des 
einen step up wandlers und Mosfet für die PWM.

Übrigens die meisten professionellen lösungen von z.B.: Osram laufen 
auch alle über einen Vorwiderstand. (KISS) Nur wenns dann um die LEDs 
mit hoher leistung geht so 1Watt dann benutzt man Konstantstromquellen.

von Kille H. (kille)


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Ach ja, dann noch mal zum Paralellschalten....
Das geht so lange gut bis eine ausfällt, dann ist der Strom durch die 
anderen schon höher (bei hundert jetzt zwar nur 1%). Wenn dann jedoch 
noch streung der LEDs dazukommt und sie halt nahe der MAX leistung 
betreiben will, geht das nicht lang gut. Weil eine streung von 0,06V 
hast du bei den billigen nicht selektierten gleich! Auch bei den 
selektierten würd ich da eher von glück sprechen...

von Matze (Gast)


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Zur Parallelschaltung:
Das Problem ist halt nur, dass die LED durch welche die 4 mA mehr strom 
fließen auch ein bißchen wärmer wird als die anderen. LED = Heißleter -> 
Wiederstand sinkt -> Strom steigt -> Temperatur steigt weiter, Strom 
steigt weiter, gleich recht weil die anderen LEDs jetzt sogar minimal 
weniger Strom abbekommen (gesamtstrom bleibt ja konstant)

Funktioniert villeicht ne Zeit lang, aber der Tod der LEDs ist abzusehen

von Thomas (kosmos)


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bei diesem Diagramm/LEDs ist es schon etwas extrem das so eine kleine 
Spannungsänderung so viel ausmacht(da wird sich der Hersteller nicht 
viel Mühe gegeben haben). Die UV-LEDs die ich verwendet habe, hatten 
einen viel flacheren Bereich glaube von 3,0 bis 3,6V, da müsste ich mal 
das Diagramm raussuchen.

Wieso wird denn der Strom durch die anderen höher wenn eine LED 
abraucht, die Spannung bleibt ja identisch?

Ihr geht bestimmt von einer ungeregelten Quelle aus, dann dort steigt 
mit sinkender Belastung die Spannung, bei einer Konstantspannungsquelle 
passiert das aber nicht.

Das mit der Temperatur stimmt aber, deswegen sollte man schon etwas 
Abstand zum max. Strom pro LED einhalten oder es halt bei höherer 
Temperaturen testen. Die letze LED die ich gemessen habe, hat mit ca. 
10% Stromänderung auf eine Temperaturerhöhung mittels Föhn reagiert. Typ 
20mA max. 30mA also ich habe die Spannung so eingestellt das ich 20mA am 
Ameremeter messen konnte, nun mit dem Föhn das ganze erwärmt und der 
Strom stieg auf 22mA wo ich noch keine Gefahr drin sehe, selbst wenn 
eine andere LED abweichen sollte wird diese sicherlich nicht über 30mA 
kommen das wären ja 50% Differenz.

Bei einer ungeregelten Spannungsquelle könnte auch zusätzlich einen 
Transistor nehmen um bei steigender Spannung eine Last zuzuschalten 
wodurch die Spannung nicht weiter steigen kann.

Dann gibt es och ne weitere Möglichkeit in dem man einen Trafo nimmt der 
nicht viel mehr Strom liefern kann. z.B. 100 LED mit 20mA = 2A /3 V 
jetzt noch etwas Reserve und wir nehmen einen Trafo der 2,2A liefert 
dahinter den einstellbaren Spannungsregler angenommen die LEDs ziehen 
jetzt wegen einer Temperaturerhöhung 23mA dann geht das ganze an die 
Belastungsgrenze des Trafos und die Spannung wird auch nicht mehr höher 
gehen können.

Aber wie gesagt meien LED-Platine funktioniert an einer 
Konstantspannungsquelle wunderbar und lief auch schon mehrere Tage zum 
testen durch da mich das ganze selbst auch interessiert hat.

von Ralf W. (Gast)


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Hallo,

also die 12V sind für die Reihenschaltung der LED's ein wenig knapp.
(mehrere LED's in Reihe, diese Stränge parallel).
Sinnvoller wäre es hier eine andere Quelle zu wählen.
Die schlechtere Wahl ist diese höhere Spannung durch einen Stepup zu 
erzeugen.
Sollte aber auch gehen, wenn es keine andere Möglichkeit gibt.

Jede LED braucht eine Strombegrenzung. Man kann bzw. soll für 
parallelgeschaltet LED's nicht einen gemeinsamen Vorwiderstand 
(Stromquelle) nehmen.
Auch die Idee eine 3,3V Stromquelle die genau 3A liefert zu nehmen und 
damit die LED's parallelgeschaltet zu betreiben ist schlecht!
Es fliessen 3A (bei Konstantstrom) in die Schaltung und die fliessen
auch wieder raus. Geht eine LED kaputt bekommen alle anderen LED's den
höheren Strom. Folge -> ...

Ich denke die Lösung mehrere LED's in Reihe zu schalten, mit jeweils
ihrem eigenen Vorwiderstand und diese Stränge dann parallel zu schalten,
ist vom Bauteilaufwand her optimal.

Ein Beispiel mit den 100 LED's:

10 Stränge a 10 LED's
je Strang 30 mA
Gesamtstrom 300mA
benötigte Spannung : 10 x 3.3V + Spannung über den Vorwiderstand = > 34V
10 Widerstände zusätzlich
eine Spannungsquelle mit U0 > 34V bei 300mA.

Hat man keine gute Spannungsquelle ( Spannung schwankt bzw ist variabel
 zB. 34V < U0 < 60V) kann man keine Widerstände als Strombegrenzer 
nehmen.
Dann benötigt jeder Zweig (zB. die 10 LED's in Reihe) eine 
Konstantstromquelle.

Eine einfache Schaltung dafür habe ich im Anhang.
Man braucht statt einem Widerstand dann 2 Widerstände, einen Transistor
und zwei Dioden. Der Aufwand ist immer noch gering und für einfache 
Anwendungen sollte es reichen.
Ein weiterer Vorteil ist aber, das man die LED's jetzt dimmen kann.
Hier noch ein Link: 
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210253.htm
Ich habe damit das Backlight für ein Nokia 3310 Display dimmbar und
abschaltbar gemacht. Die Eingangsspannung der Schaltung sollte von
ca. 8V bis 12V sein.


gruß ralf

von Thomas (kosmos)


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richtig das Problem gibts ja nur bei der Konstantstromquelle das die 
z.B. immer 3 A pumpt egal wieviele LEDs dahinterhängen. Eine 
Konstandspannungsquelle wird halt je nach Anzahl der LEDs belastet 1 
LED=20mA; 2 LEDs=40mA usw. und wenn eine mal 22mA wegen höherer Toleranz 
statt 20 zieht ist es auch kein Problem.

von Paul H. (powl)


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einen Transistor als Konstanstromquelle zu verwenden könnte aufgrund des 
Temperaturdrifts problematisch werden weil sich der Konstantstrom 
relativ schnell ändern kann.

Kann man so etwas irgendwie kompensieren? (ohne jetzt die Dioden an den 
Transistor zu kleben). Integrierte Spannungsregler als 
Konstantstromquelle zu verwenden ist doof, da ich da beim LM317 z.B. 
gleich mal 4V mehr Spannung brauche.

lg PoWl

von Ralf W. (Gast)


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>aufgrund des Temperaturdrifts problematisch werden weil sich der >Konstantstrom 
relativ schnell ändern kann.

Kommt halt drauf an wie genau der Strom sein muss. Ok er driftet
weg. Es fliessen dann halt vielleicht statt 30mA 35mA. Aber der
Strom bleibt trotzdem konstant. Wenn der Helligkeitsunterschied
der LED's bei etwas höherem Strom nicht so groß ist wäre das vielleicht
tolerierbar.
Die Anwendung ist vermutlich für Beleuchtungszwecke. Bei relativ
gleichen nicht zu hohen Umgebungstemperaturen. Ich glaube, das der
Fehler deshalb vernachlässigbar ist.

gruß ralf

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