Angepinnt Anfängerinfos HP-LEDs

    Anfängerinfos HP-LEDs

    Der folgende Beitragsoll die typischen Einsteigerfragen zu High-Power-Leds und deren Verwendung beantworten. Ergänzungen und Korrekturen ob als Post oder PN werden zeitnah eingepflegt. Eine Vorschlagsliste, was zu ergänzen ist (vielleicht findet sich ja jemand, der dazu was schreibt...) ist im vierten Post.

    Bezeichnung 1W, 3W, ...
    Die Bezeichnung bzw Kategorisierung von HP-LEDs nach Leistung ist "historisch" und nur eine grobe Schublade, die in etwa die mögliche Leistung der LED angibt. Die tatsächlich realisierte Leistung hängt natürlich sehr stark davon ab, mit wieviel Strom die LED betrieben wird. Dabei werden (einzelne) LEDs die mit maximal 350mA spezifiziert sind, als 1W-LED bezeichnet, solche mit 700(-1000)mA als 3W-LED usw. Nimmt man eine 3W-LED und betreibt sie mit 300mA, leistet sie natürlich trotz der Bezeichnung nur etwa 1W.

    Stromversorgung und Verschaltung
    LEDs werden immer über einen definierten Strom betrieben! Der Spannungsabfall an der Diode ergibt sich dann von selbst. Da Dioden aber einen negativen Temperaturkoeffizienten haben, d.h. dass sich der Spannungsabfall mit steigender Temperatur verringert, und die Strom/Spannungs-Kennlinie sehr steil verläuft, kann eine kleine durch die Betriebstemperatur bedingte Veränderung in der Vorwärtsspannung (Uf) eine große Steigerung des Stromflusses bedeuten, wenn dieser nicht begrenzt ist. Die Folge ist eine weitere Temperaturerhöhung, weiter sinkende Uf noch mehr Strom ... bis zum plötzlichen LEDs-Tot (-> Thermal runaway). Daher muss der Stromfluss bei Betrieb von LEDs stets begrenzt werden. Aus dem oben gesagten folgt auch, dass man nicht hinter der Strombegrenzung parallel schaltet, da kleine Bauteilstreuungen ausreichen um den Strom ungleich auf parallele Reihen aufzuteilen. In der Folge erwärmen sich die LEDs einer Reihe stärker als die anderen, ziehen dann mehr Strom, erwärmen sich noch stärker usw. und beim Ausfall eines Stranges müssen die anderen den Strom "übernehmen". Also bei Parallelschaltung erhält jeder Strang seine eigene Strombegrenzung. Es muss beachtet werden, dass die Strombegrenzung auch einen gewissen Spannungsabfall hat bzw Spannungsoverhead braucht, um regeln zu können. Es muss also U_LED + U_dropKSQ <= U_in sein.

    Vorwiderstand
    Die Strombegrenzung kann durch einen Vorwiderstand erfolgen, was auch für Anwendungen mit z.B. 5mm oder Superflux-LEDs ausreicht (zur Berechnung siehe den Serien- und Parallelschaltungsthread). Dieser trägt aber der verringerten Uf bei Temperaturerhöhung nicht Rechnung und müsste daher immer für den worst case dimensioniert werden.
    Vorteile:
    + wenig Bauteile
    + billig
    Nachteile:
    - hält den Strom nicht konstant (bei Betrieb am Rande der Spezifikation praktisch nicht verwendbar)
    - zu hohe Spannung wird verheizt (große Verlustleitung insbesondere beim Betrieb von HP-LEDs)

    Fazit: Wegen Unzuverlässigkeit und hoher Verlustleistung für den Betrieb von HP-LEDs wenig geeignet.

    lineare Konstantstromquellen
    Lineare Konstantstromquellen kann man sich in erster Näherung wie einen sich automatisch anpassenden Widerstand vostellen, der stets
    die richtige Größe annimmt, um den eingestellten Strom zu erhalten. Wie bei einem Widerstand wird die Leistung, die sich aus überschüssiger
    Spannung und dem fließenden Strom ergibt verheizt.
    Vorteile:
    + geringe bis moderate Kosten
    + einfach selbst zu bauen
    Nachteile:
    - u.U. hohe Verlustleistung

    Fazit: Für Anwendungen bei denen die Versorgungspannung und LED-Spannung nahe beieinander liegen können sehr kosten- und energieeffiziente (>90%) Lösungen realisiert werden. Unter diesen Voraussetzungen sehr gut geeignet,
    ansonsten wegen hoher Verlustleistung eher weniger geeignet.

    Bsp:
    LM317: (sehr) wenige Bauteile, hohe Dropspannung (> 3V), nicht PWM dimmbar (s.u.)
    instructables-KSQ: leicht aufzubauen, sehr niedrige Dropspannung machbar (< 0.2V), PWM-dimmbar
    LT-PowerLine/SlimLine: anschlussfertiges Produkt, geringe Dropspannung (1V), PWM-dimmbar
    BCRxxxX (z.B. xxxX=402R, 402U, 320U, 420U etc.): sehr kleine Konstantsrom ICs-mit nur einem externen Widerstand zu beschalten

    Schaltregler-KSQ
    Schaltregler-KSQ (hier sind stets Konstantstromquellen gemeint auch wenn Konstantspannungsquellen dieselbe Abkürzung hätten) schalten die Eingangsspannung
    ständig ein und aus, statt die nicht benötigte Leistung zu verheizen (zum Funktionsprinzip siehe bspw Wikipedia und die dort enthaltenen Links).
    Dies hat einen um den eingestellten mittleren Wert schwankenden Strom und möglicherweise EMV-Störungen zur Folge.
    Bei Schaltreglern werden grundsätzlich Buck- bzw Stepdown- und Boost- bzw. Stepup-Regler unterschieden. Bei Buck-Reglern ist die Ausgangsspannung
    niedriger als die Eingangsspannung, die typische Situation bei LED-Installationen am Netzteil. Bei Boostreglern ist es andersherum was sie für viele
    Batterie getriebene Anwendungen interessant macht.
    Viele Schaltregler sind über PWM, 10V oder Poti dimmbar.
    Es muss beachtet werden, dass auch Buck-Regler einen Spannungsoverhead bzw -drop benötigen, um regeln zu können.

    Vorteile:
    + effizient auch bei großer Differenz von Eingangs- und Ausgangsspannung

    Nachteile:
    + relativ kompliziert im Eigenbau
    + EMV-Störungen möglich

    Bsp:
    fertig aus nem Shop:
    LT-Buck (ZXLD1360): anschlussfertiges Produkt, Vin bis 30V, PWM-dimmbar, in versch. Stromstärken erhältlich
    Dealextreme (PT4115): anschlussfertiges Produkt, Vin bis 40V, dimmbar nur nach Modifikation
    PCB-Components : viele versch. anschlussfertige Produkte, Boost- und Buck-Treiber
    aus dem Forum zum Nachbau bzw. Bausatz:
    2bl (PT4115): Vin bis 30V; sehr klein, dimmbar per Poti oder PWM, doppelseitiges Layout und Teileliste veröffentlicht zum Nachbau und erhältlich als Bausatz oder fertig aufgebaut für kleines Geld
    sol (ZXLD1366): Vin bis 48V; einseitiges Layout und auf Effizienz getrimmte Teileliste verfügbar
    kufikugel (ZXLD1366): alternatives Layout, ansonsten wie von sol

    Netzteil-KSQ
    Es gibt auch Schaltnetzteile, welche als Schaltregler-KSQ fungieren. Diese sind sehr einfach anzuschließen, da man nicht Netzteil und KSQ getrennt hat aber meist nicht dimmbar.

    Bsp:
    EagleRise : der "Klassiker" erhältlich in verschiedenen Stromstärken und Ausgangsspannungsbereichen; der eingestellte Strom ist modifizierbar, indem man den Sense-Widerstand austauscht - möglich da nicht vergossen, wenn man da nen Poti stattdessen reinlötet auch dimmbar (Anleitung s. hier )
    Meanwell : bekannte Marke, viele verschiedene Stromstärken erhältlich, Schutzklasse IP67

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    Kühlung

    Auch wenn LEDs deutlich effizienter sind als Glühlampen, wandeln sie immer noch den Großteil der eingesetzten Energie in Wärme um. Im Gegensatz zu Glühlampen reagieren LEDs aber sehr empfindlich auf (zu) hohe Temperaturen. Je nach Temperatur kommt es zum sofortigen Ausfall oder Degradationen der Helligkeit und/oder Farbtemperatur. Daher MÜSSEN gerade High-Power-LEDs gekühlt werden, und nein, die Aluplatine reicht dazu NICHT aus. Hierzu ist ein Kühlkörper (KK), üblicherweise aus Alu- oder Kupfer, vonnöten, der der installierten Leistung entsprechend dimensioniert werden muss. Der wesentliche Kennwert hierfür ist der Wärmewiderstand. Er wird in K/W oder °C/W angegeben und gibt an um wieviel Kelvin (bzw. Grad Celsius) pro Watt Wärmeeintrag sich der Kühlkörper gegenüber der Umgebungstemperatur erwärmt. Es ist zu beachten, dass der Wämewiderstand eines KK keine absolut gültige Zahl ist, sondern u.a. von der Einbaulage und der verfügbaren Luftzirkulation abhängt.

    Berechnung/Dimensionierung
    Einen fundierten Überblick bietet dieses Dokument von Fischer-Elektronik .
    Um den zu unterschreitenden Wärmewiderstand des Kühlkörpers für seine Anwendung zu finden, müssen zusätzlich zum Wärmewiderstand des KK die Wärmewiderstände zwischen Sperrschicht und Kühlfläche (der LED), von LED-Kühlfläche zu Platine und von Platine zum KK berücksichtigt werden. Dazu werden die Widerstände wie eine Reihenschaltung elektrischer Widerstände behandelt und aufsummiert. Multipliziert mit der Wärmeleistung der LED ergibt dies nun die Erwärmung der Halbleitersperrschicht gegenüber der Umgebungstemperatur. Eine gesunde Sperrschichttemperatur ist unter 100°C (zu finden im Datenblatt der LED), je kühler desto besser. Beim Ansatz der Umgebungstemperatur sollte man Temperaturspitzen im Sommer und im Betrieb berücksichtigen. Hier findet sich ein Tool welches die Kühlkörperberechnung vereinfacht.
    Gewisse Umstände (z.B. Hochleistungs-LED-Cluster, geringes Platzangebot etc.) können aktive Kühlung notwendig machen. Die häufigste Form sind Lüfter, die durch einen ständigen Luftstrom für verbesserte Wärmeableitung sorgen. Z.B. in dem oben verlinkten Dokument von Fischer-Elektronik kann man die Abnahme des Wärmewiderstandes unter erzwungenem Luftstrom (forced convection) sehr schön im Diagramm auf Seite 3 sehen. Weitere Möglichkeiten sind Heatpipes oder Wasserkühlung. Es ist zu beachten, dass Kühlkörper, die für aktive Belüftung konzipiert sind in der Regel NICHT als passive Kühlkörper taugen, da für freie Konvektion die Kühlrippen zu dicht stehen.

    Befestigung der LED am Kühlkörper
    Es gibt verschiedene Möglichkeiten, LEDs auf einem Kühlkörper zu befestigen. Am einfachsten ist dies, wenn die LED bereits auf einer Trägerplatine (z.B. Star) aufgebracht ist. Insbesondere ältere Modelle lassen sich aber auch direkt auf KKn befestigen.

    Kleben
    Hier drei Varianten häufig Anwendung:
    1. flächige Verklebung mit Wärmeleitkleber (WLK)
    2. wenige Klebepunkte und dazwischen flächig Wärmeleitpaste (WLP)
    3. flächige Verklebung mittels Wärmeleitklebepad

    zu 1.: Es ist darauf zu achten, dass die Kleberschicht so dünn wie möglich ist. Wärmeleitkleber heißt so, weil er Wärme besser leitet als irgendein beliebiger Kleber - aber eben immer noch ziemlich schlecht. Um ihn später einfacher wieder lösen zu können wird bisweilen empfohlen den Kleber mit etwas Wärmeleitpaste anzurühren (s. hier).
    + leicht und schnell
    - relativ schlechte Wärmeleitung
    - schwierig wieder zu lösen

    zu 2.: Auch hier gilt es eine möglichst dünne Schicht zwischen Platine und KK zu bekommen. Die Wärmeleitpaste ist nur dazu da, winzig kleine Unebenheiten aufzufüllen und dort als Wärmebrücke zu fungieren, wo sonst isolierende Luft wäre.
    + leichter wieder zu lösen als flächige Verklebung (die eine Seite der Medaille)
    - nicht so feste mechanische Verbindung (und die andere)
    - u.U. schlechtere Wärmeleitung als bei Verschraubung

    zu 3.:
    + am unkompliziertesten
    - schlechtester Wärmeübergang der beschriebenen Verfahren

    Verschrauben
    Hierfür müssen passende Löcher in den KK gebohrt werden. Zur Befestigung der Platine dienen selbstschneidende Schrauben oder man schneidet noch ein Gewinde. Üblicherweise passen die Bohrungen in den Trägerplatinen für M3-Schrauben. Anschließend wird die Platine mit Wärmeleitpaste darunter (wiederum dünn!!!) festgeschraubt, dabei vermeiden Plastik-Unterlegscheiben einen Kurzschluss zwischen Lötpads. Von der Verwendung von Plastikschrauben wird meist abgeraten, da sie insbesondere unter Hitze schneller altern und die mechanische Verbindung mitunter nicht mehr ausreichend fest ist, um einen guten Wärmeübergang zu erzielen.

    Ohne Platine
    HP-LEDs in "klassischer" Bauform wie z.B. die Seoul-P4 lassen sich auch gut und unkompliziert direkt auf KK kleben, da Anode und Kathode auch leicht von oben zugänglich sind. Hierzu biegt man diese ein bisschen hoch, um einen Kurzschluss über den KK zu vermeiden und klebt sie mittels WLK mit der LED-Kühlfläche auf den KK. Dabei ist zu beachten, dass bei dieser Bauform die Kühlfläche meist nicht potentialfrei ist. Eloxialschicht und Klebeschicht müssen also ausreichend elektrisch isolieren.
    + guter Wärmeübergang (Wärmewiderstände SolderPoint-Platine und Platine-KK werden durch SolderPoint-KK ersetzt)
    - bei HP-LEDs neuerer Bauart schlecht oder gar nicht zu bewerkstelligen

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    ! SICHERHEIT !

    Man darf NIE die Lichtleistung von HighPower-LEDs unterschätzen! Auch beim experimentieren sollte sichergestellt werden, daß man nie direkt in die LED schauen kann. Mit Netzhautverbrennungen ist nicht zu spassen. Moderne LEDs sind so hell, daß auch kurzzeitige Lichtblitze Schäden an der Netzhaut verursachen können. Nur als kurze Info.