Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik High Power (RGB) LED mit Spannungsregler und Vorwiderstand


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von Niklas T. (niklas01)


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Hallo Zusammen,

Bei High-Power (RGB) LEDs lese ich immer wieder, dass man eine 
Konstantstromquelle verwenden soll. Dies ergibt auch Sinn, wenn man 
beispielsweise von 12V auf 3V kommen möchte.

Ich habe nun allerdings vor, mehrere RGB(W) High Power LEDs über PWM zu 
steuern, dabei soll jeder Kanal jeder LED separat geregelt werden. Bei 4 
RGBW LEDs würde ich dann aber 16 Konstantstromquellen benötigen. Es wäre 
um einiges einfacher, einen Konstantspannungsregler z.B. auf Basis des 
XL4015 wie folgt zu verwenden:

Beispiel:
- RGBW LED, 4*350mA, 2,6 - 3.6V
- Regler auf 3,8V einstellen
- Zur Sicherheit LED nur mit 300 mA betreiben
- Vorwiderstand für Rot: 1,2 / 0,3 = 4 Ohm -> 0,5 W Metallschicht 
Widerstand
- Vorwiderstand für Blau: 0,2 / 0,3 ca. 0,7 Ohm

Dadurch, dass die Spannung nicht viel zu hoch ist, hält sich die 
Verlustleistung an den Widerständen in Grenzen. Dann noch auf jeden 
Kanal ein FET und Verbindung zum MC für PWM und gut ist.

Ich habe bisher noch keinen Artikel gefunden, der diesen Ansatz 
verfolgt. Gibt es einen mir nicht erkennbaren Grund, der dagegen 
spricht?

Freue mich schon auf Eure Antworten.

Gruß
Niklas

: Verschoben durch Moderator
von Wolfgang (Gast)


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Niklas T. schrieb:
> Bei 4 RGBW LEDs würde ich dann aber 16 Konstantstromquellen benötigen.

Das kommt drauf an, ob jede LED einzeln verdrahtet werden kann oder ab 
sie Anschlüsse gemeinsam genutzen.

0.2V Oberspannung ist recht knapp, es sei denn, die LEDs sind thermisch 
vernünftig gekoppelt und halbwegs gut selektiert.

von Niklas T. (niklas01)


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Hallo Wolfgang,

danke für die schnelle Antwort.

Wolfgang schrieb:
> Das kommt drauf an, ob jede LED einzeln verdrahtet werden kann oder ab
> sie Anschlüsse gemeinsam genutzen.

Ja, ich hab vor, jeden Kanal separat anzusteuern.

> 0.2V Oberspannung ist recht knapp

Was wäre denn angebracht? 0,5V? 1V?
Was kann schlimmstenfalls passieren, wenn die Oberspannung zu gering 
ist, außer dass die LED zu dunkel wird / falsche Farbe hat?

von Wolfgang (Gast)


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Niklas T. schrieb:
> Ja, ich hab vor, jeden Kanal separat anzusteuern.

Das war schon klar.
Die Frage ist, wieviel Anschlüsse die LEDs haben, 5 oder 8?

> Was kann schlimmstenfalls passieren, wenn die Oberspannung zu gering
> ist, außer dass die LED zu dunkel wird / falsche Farbe hat?

Das Problem hat die LED, die mehr Strom bekommt. 17% siehst du in der 
Helligkeit kaum, aber der Strom ist dann schon an der Grenze. Und der 
als Grenze angegebene Wert gilt nur bei bestimmten Bedingungen, die im 
Datenblatt angegeben sind.

> Was wäre denn angebracht? 0,5V? 1V?

Kommt drauf an, wie ähnlich sich die LEDs sind, wie gut sie thermisch 
gekoppelt sind und wie die Kennlinie aussieht.

von Niklas T. (niklas01)


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Wolfgang schrieb:
> Die Frage ist, wieviel Anschlüsse die LEDs haben, 5 oder 8?

Alle bisher angeschauten LEDs haben 8 Anschlüsse, wobei ich mich noch 
nicht auf eine spezielle festgelegt habe.

Ich habe mich wahrscheinlich nicht präzise genug ausgedrückt: Jede LED 
und jede Farbe soll extra angesteuert werden können. Jeder Licht-Emitter 
hat also seinen eigenen Vorwiderstand und FET zum PWM Generator / MC. 
Wenn ich es richtig sehe, spielen dann die Anzahl der Anschlüsse keine 
Rolle, da die LEDs nicht in Reihe betrieben werden. Auch die thermischen 
Unterschiede der LEDs sollten dann wohl keine Rolle spielen (?).

von J. S. (pbr85)


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Ein korrekt ausgelegter Vorwiderstand ist völlig in Ordnung, solange man 
nicht den Maximalstrom ausnutzen will. Aber das sollte man in der Regel 
sowieso nicht tun, eher 2/3.

Korrekt ausgelegt heißt natürlich, dass die Erwärmung mit einbezogen 
wird. Man kann da so vorgehen, dass die LED auf den geplanten Kühler 
geklebt/geschraubt wird und dann wir der gewünschte Strom per Netzteil 
eingestellt und gewartet bis die Leuchte Betriebstemperatur erreicht 
hat. Diese Flußspannung wird dann zum Berechnen des Widerstandes 
genutzt.

von Niklas T. (niklas01)


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Hallo J.S.

Dein Vorgehen hört sich sinnvoll an, werde ich wohl so machen.

von DoS (Gast)


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Niklas T. schrieb:
> Was kann schlimmstenfalls passieren, wenn die Oberspannung zu gering
> ist, außer dass die LED zu dunkel wird / falsche Farbe hat?
Hi Niklas,
das mit der Farbe war gar nicht so daneben. Ich hatte einmal LED der 
Farbe "amber"=gelb.
Mit Kältespray drauf gesprüht war das Licht der LED grüngelb, bei 
normaler Temperatur war die LED dottergelb, im heißen Zustand war die 
LED orange.
Zu wenig "Oberspannung" kann zu einem Weglaufen der Temperatur nach oben 
und damit tatsächlich zu einer Farbändrrung führen. Die erhöhte 
Temperatur altert die LED rapide und damit wird die LED tatsächlich 
dunkler oder fällt ganz aus.
Wenn dir das egal ist, weil die LEDs ohnehin nicht lange leuchten und 
irgendwann durch die nächste, noch bessere LED-Generation ersetzt wird, 
ist es wurst. Ich habe früher bei meinen Modellflugzeugen immer auf ein 
therisch gesundes Umfeld gesorgt, aber was hilft es wenn die LED 50.000 
Betriebsstunden hält, der Flieger aber nach 200..500 Flugstunden im 
Flueger-Himmel ist?

von H. (Gast)


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Kennst Du die PT4115? Der ist vom Bauteile-Aufwand her sehr 
minimalistisch und unkritisch im Design. Konkrete Vorschläge für die 
Bauteile: Spule Reichelt L-242418FPS 68µ, Diode SS16, 
Strommesswiderstand 3x 1Ohm parallel, Bauform 0603..1206
Wenn man parallel zur LED noch einen kleinen MLCC spendiert (muss nicht 
sein) wird Strom glatt wie Kinderpopo.
Fertiger PWM-Eingang für den Microcontroller.

Einziger Warnhinweis: Der PWM-Eingang ist relativ ungeschützt und kann 
durch ESD leicht beschädigt werden, ist aber im Allgemeinen kein großes 
Problem.

von Carsten-Peter C. (carsten-p)


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Hallo Niklas,
ich nutze auch Vorwiderstände, weil ich mit getakteten 
Konstantstromquellen eher schlechte Erfahrungen gemacht habe. Bei 
irgendeiner Helligkeit haben sie ein unruhiges Licht erzeugt. Durch 
Kondensatoren wurde die Schaltung für meine Anwendung zu träge. 
Vielleich kannst Du für jede Farbe einen Konstantspannungsregler und 
gleiche Vorwiderstände nehmen.
Gruß
Carsten

von Herbert B. (braherb)


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Hi
Ich hab mal so etwas ähnliches mit einem ZXLD1350 gebaut.
Der kann 350mA.

von Helge (Gast)


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Hier Leistung einsparen ist löblich, führt aber bei dem Ansatz zu 
geringerer Stabilität. Da sind noch Leiterbahnen, ggf. Stecker und 
Drähte. Schaltungsvorschlag für ausreichend brauchbaren Konstantstrom 
linear mit PWM im Bild ( + Simu LTSpice). Da ist noch 0,5V Reserve für 
Verbindungen und Temperaturgang blauer + weißer LED. Der auszuwählende 
npn muß eine ausreichende Verstärkung haben bei den gewünschten 300mA 
(hier ist jetzt nur irgendeiner drin).

von MaWin (Gast)


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Niklas T. schrieb:
> Dadurch, dass die Spannung nicht viel zu hoch ist, hält sich die
> Verlustleistung an den Widerständen in Grenzen

Wie kommst du darauf, dass an den weissen und blauen LEDs 3.6V bei 
Nennstrom abfallen ?

Im Datenblatt steht sicher ein Bereich, z.B. 3.0 bis 3.6 oder 3.2 min 
3.6 typ 4.0 max.

Und nun rechne deinen Strom am Vorwiderstand noch mal.

Nun sind das mit 0.7 Ohm an 3.8V irgendwas zwischen 850mA und 0A, also 
klar unbrauchbar.

Damit der Strom durch eine LED halbwegs definiert begrenzt werden kann 
braucht es eine deutlich höhere Spannung, z.B. 5V und 5.1 Ohm mit 0.63W, 
was dann zwischen 352mA und 196mA bewirkt, weniger als 1:2 und damit 
akzeptabel

von H. (Gast)


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Carsten-Peter C. schrieb:
> Bei
> irgendeiner Helligkeit haben sie ein unruhiges Licht erzeugt.

Ich finde deinen Erfahrungsbericht ja legitim, aber was ich denn 
unruhiges Licht? Schwingender Regler?

> Durch
> Kondensatoren wurde die Schaltung für meine Anwendung zu träge.

Ein MLCC von ca. 1..5uF sollte keine Trägheit verursachen, die man mit 
dem Auge wahrnehmen könnte. Für die Glättung des Stroms hingegen macht 
diese Größenordnung an Kondensator schon einen Unterschied.

von J. S. (pbr85)


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Die Cree XM-L RGBW verträgt bis zu 1A pro Chip. Baue damit auch gerade 
eine Leuchte.

Die Vorgänger-LED, genauer gesagt Cree MC-E RGBW hatte ich 10 Jahre lang 
in einer Leuchte, wo ich per PWM alle vier Farben einstellen konnte. Was 
ich an dieser Stelle noch empfehlen kann, ist in Reihe zur 625nm LED 
eine 660nm LED zu schalten, wenn es der Platz und die Flussspannung 
erlauben.

Dadurch wird der rote Teil erstens heller, und vor allem aber auch 
satter in der Farbe. 625nm ist nämlich schon ein ziemlich helles Rot.

: Bearbeitet durch User
von Wolfgang (Gast)


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Helge schrieb:
> Schaltungsvorschlag für ausreichend brauchbaren Konstantstrom
> linear mit PWM im Bild ( + Simu LTSpice)

Da ist nix mit Konstantstrom. Die Schaltung erzeugt harten, 
PWM-modulierten Strom mit voller Amplitude auf der Lampenleitung.

Bei einem Step-Down könnte man den LED Strom regeln, statt ihn hart zu 
schalten und hätte nicht den Dreck auf der Leitung.

von Helge (Gast)


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Wolfgang schrieb:
> Da ist nix mit Konstantstrom. Die Schaltung erzeugt harten,
> PWM-modulierten Strom mit voller Amplitude auf der Lampenleitung.
Konstantstrom, PWM-moduliert. Das ist die einfachste Methode. Richtig 
linear mit 16x DAC ist mehr Aufwand.

von Carsten-Peter C. (carsten-p)


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H. schrieb:
> aber was ich denn
> unruhiges Licht? Schwingender Regler?

Da ist ein mehr oder weniger, je nach Helligkeit leichtes Flackern zu 
sehen.
Die PWM-Frequenz beträgt 100Hz Netzsync.

H. schrieb:
> Ein MLCC von ca. 1..5uF sollte keine Trägheit verursachen, die man mit
> dem Auge wahrnehmen könnte.

Entweder ändert sich die "Flackerfrequenz", oder der Dimmer wird zu 
träge. Also, wenn ich den Dimmtaster loslasse, dimmt er für eine kurze 
Zeit weiter bzw. fängt zeitversetzt an zu dimmen. Vielleicht hilft meine 
Schaltung  weiter. Die Transistoren habe ich gewählt, weil ich sie noch 
hatte und nicht kaufen musste.
Gruß Carsten

von xlser (Gast)


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Helge schrieb:
> Schaltungsvorschlag für ausreichend brauchbaren Konstantstrom
Grundsätzlich hat du ja Recht, aber die Schaltung mit der Leuchtdiode 
als Referenz passt nicht gut für höhere Leistungen.

Der Grundgedanke dabei war, den Teperaturkoeffzienten des Transistors 
(BE 2mV/°C) mit dem einer grünen LED zu kompensieren. Das wiederum 
erfordert eine enge thermische Kopplung und auch passende LED.

Das wird mit dem TL431V (Uref=1.24V) wesentlich stabiler, ändert aber 
nichts daran, dass diese Variante fast das 1,5-fache der LED-Leistung 
verbrät.
Auch muß man wegen der PWM sehr darauf achten, dass der Stromregler 
nicht zu schwingen beginnt.

Da hat der oben genannte PT4115 (4-5€/10Stk.) schon seine Vorteile.

@Niklas
Dass mit den (niedrigen) Widerständen würde ich lassen.
Auch ein höherer Widerstand von 2,3 Ohm (für Il=300mA@25°C) führt 
zumindest in der Simulation schon zu 350mA bei 60°C. Und das 
berücksichtigt noch nicht die Exemplarstreuungen (Uf 3.1-3.7 V).

Ein Abgleich, wie von J. S. beschrieben, mag eventuell funktionieren, 
führet aber zu temperaturabhängigen Farbveränderungen.

von Niklas T. (niklas01)


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Danke für Eure Antworten.

Nun verstehe ich die Nachteile, die ein einfacher Widerstand bei 
High-Power LEDs mit sich bringt. Wahrscheinlich wird es dann wirklich 
auf den PT4115 hinauslaufen.

von Crazy H. (crazy_h)


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xlser schrieb:
> Da hat der oben genannte PT4115 (4-5€/10Stk.) schon seine Vorteile.

Hab erst welche bekommen: 6-7€/100 Stück. Hab die viel im Einsatz und 
kann nur Gutes darüber berichten.
z.B. 
Ebay-Artikel Nr. 221892037374
oder 
Ebay-Artikel Nr. 293687785220

: Bearbeitet durch User
von xlser (Gast)


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xlser schrieb:
> diese Variante fast das 1,5-fache der LED-Leistung verbrät.
Da hatte ich wohl versehentlich die Leistung von Q1 anstatt D3 von der 
Gesamtleistung abgezogen. Sieht mit knapp 700mW also nicht ganz so 
schlimm aus.

von DoS (Gast)


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Eine gute Wahl

von Detlef (Gast)


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