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