Wie LEDs mit Strom versorgen?

    Hallo Leute,


    ich habe mal eine Frage an euch. Ich möchte zur Weihnachtszeit kleine Rentier-Figuren ins Fenster stellen, das Geweih der Rentiere möchte ich mit mini LEDs bestücken. Die LEDs habe ich mir schon ausgesucht. Die brauchen 2,2-2,5V und 20mA. Und als Stromquelle möchte ich 2x AA Akkus nehmen.


    Nun nehmen wir mal an, ich würde für jede Seite eine eigene Reihenschaltung von 10 LEDs nehmen, dann würde ich 22-25V an Spannung brauchen. Und wenn ich zwei Stränge nehme, brauche ich 40mA.


    Was mich aber momentan etwas wundert, ist eine andere Sache. Nehmen wir mal an, dass ein solcher Strang ausfällt, weil z.B. der dünne Draht gerissen ist. Dann habe ich 40mA durch einen Strang fließen, was wieder zu viel ist.


    Wie geht man gegen so etwas vor? Was macht man da am besten?

    Kein NT, da ich keine feste Stromversorgung haben möchte. Und wo ist das Problem mit den 25V? Da nehme ich wahrscheinlich 3 AA Akkus, damit habe ich ca. 3-3,6V und mit einem Step-Up Wandler bekomme ich 25V.


    [ModEdit: völlig nutzlosen Fullquote entfernt ...]

    Wenn du einen normalen "Fest"spannungswandler als Step-Up nimmst (also keine Konstantstromquelle) und stellst das auf bspw 23V ein, dann fließen deine 40mA (einfach mal angenommen, den genauen Wert wirst du ausprobieren müssen) - wenn jetzt einer von deinen Strängen ausfällt fließen nicht 40mA durch den anderen sondern einfach nurnoch 20mA. Bei einer Festspannungsquelle erhöht sich der Strom durch einen beliebigen Strang nicht sondern nur durch zuschalten zusätzlicher Stränge.

    @Fakrae


    Tut mir Leid, aber ich kann deine Argumentation nicht nachvollziehen. Der Grund, wieso der Strom überhaupt begrenzt werden muss, ist weil LEDs eine sehr steile U-I-Kennlinie haben. Bei sagen wir mal 2V können sie nur 10mA verbrauchen, währen bei 2,5V es bereits 100mA sind, was für die LED schon zu viel ist. Deshalb wird der maximale Strom durch die LED begrenzt. Der ideale Arbeitsbereich der LED liegt in der Regel iregndwo dort, wo man bereits den Strom begrenzen muss.


    Nun zu den LEDs. Wenn ich jetzt 10 LEDs in einer Reihe habe, bei der jede LED 2,5V und 20mA braucht, dann brauche ich für die Versorgung dieses Stranges 25V und 20mA. Wenn ich jetzt einen zweiten Strang nehme, den ich parallel zum ersten betreibe, dann brauche ich weiterhin eine Spannung von 25V, doch einen höheren Strom, 40mA insgesammt.


    Selbstverständlich kann ich bei einem Step-Up-Wandler mit entsprechender Elektronik auch den maximalen Strom bestimmen. Dann würde ich in meinem Fall das Modul auf eine Spannung von 25V und einen Kurzschlussstrom von 40mA einstellen.


    Wenn jetzt aber im Fehlerfall ein Strang wegfallen würde, dann würden nun 40mA durch die LEDs fließen (können). Und genau das möchte ich verhindern bzw. unterbinden.

    Wenn du LEDs aus einer Charge hast, werden die nicht sonderlich weit gestreut sein in der Strom/Spannungs-Kennlinie (dann braucht der eine Strang eben 20mA bei 24V (Strang 1) und der andere bei 24,5V (Strang 2)) wenn du also jetzt vor jeden Strang einen 27 Ohm Widerstand klemmst schluckt der 0,54V und stabilisiert dir deine LEDStränge soweit, dass du im Strom um HÖCHSTENS 5mA schwankst. Das halten die LEDs aus.
    Da deine Quelle nur 25V liefert (ist ja auf obigen Strang angepasst) und es würde der "Strang 1" ausfallen, bekäme "Strang 2" trotzdem nur seine 20mA, weil eben mehr nicht drin ist von der Spannung. Wenn jetzt "Strang 2" ausfällt hängt eben "Strang 1" alleine dran und bekommt vielleicht 22 oder 23mA - was noch im Rahmen ist und den Strang bestimmt nicht kaputt macht.


    Konstantspannungsquellen halten die Spannung konstant - damit kann zwar theoretisch der Strom stark schwanken, aber es ist nicht so (wie bei einer KonstantSTROMquelle), dass unbedingt 40mA raus müssen, und die eben über einen Strang laufen, wenn der andere kaputt geht. Deswegen sind die Konstantspannungsquellen (mit Vorwiderstand) deutlich besser für parallelschaltung verschiedener LED-Stränge geeignet. Also genau dein Anwendungsfall. (Denn ob die 40mA fließen KÖNNTEN ist vollkommen egal, in diesem Fall begrenzen die LEDs selbst ihren Strom (weil sie für 40mA eben 26V bräuchten, die Quelle aber nur 25V liefert)


    WICHTIG: Alle Zahlen hier sind Beispielzahlen ;) Du musst im konkreten Fall einfach mal deine 10 LEDs in Reihe schalten und messen wieviel Spannung du für deine 20mA brauchst!



    Alternativ gilt natürlich auch die Aussage von Cossart, du kannst auch jedem Strang einen eigenen Boost-Regler (nicht Buck, Buck ist Step-Down) spendieren, der Wirkungsgrad wird ähnlich sein und du kannst ihn auf die spezifischen Bedürfnisse eines jeden Strangs einstellen.

    Zitat von Fakrae

    Wenn du LEDs aus einer Charge hast, werden die nicht sonderlich weit gestreut sein in der Strom/Spannungs-Kennlinie (dann braucht der eine Strang eben 20mA bei 24V (Strang 1) und der andere bei 24,5V (Strang 2)) wenn du also jetzt vor jeden Strang einen 27 Ohm Widerstand klemmst schluckt der 0,54V und stabilisiert dir deine LEDStränge soweit, dass du im Strom um HÖCHSTENS 5mA schwankst. Das halten die LEDs aus.
    Da deine Quelle nur 25V liefert (ist ja auf obigen Strang angepasst) und es würde der "Strang 1" ausfallen, bekäme "Strang 2" trotzdem nur seine 20mA, weil eben mehr nicht drin ist von der Spannung. Wenn jetzt "Strang 2" ausfällt hängt eben "Strang 1" alleine dran und bekommt vielleicht 22 oder 23mA - was noch im Rahmen ist und den Strang bestimmt nicht kaputt macht.

    Ich kann leider nicht so ganz verstehen, worauf du dich beziehst. Wieso brauche ich bei einem Strang 24V und beim anderen 24,5V? Bzw. was meinst du denn damit, dass ein Vorwiderstand den Strom stabilisiert? Ein Widerstand hat eine Lineare U-I-Kennlinie. Da die LEDs aber eine Kennlinie haben, die relativ steil ansteigt, würde da ein Widerstand doch kaum eine Wirkung haben.


    Ich glaube momentan irgendwie, du meinst, dass ich die LEDs mit zu wenig Spannung versorgen soll, sodass sie selbst den aufgenommenen Strom begrenzen. Aber genau dabei werde ich ja an Leuchtkraft verlieren.

    Servus…


    Zitat von terz

    Wieso brauche ich bei einem Strang 24V und beim anderen 24,5V?


    Weil die Flußspannung von LEDs fertigungsbedingten Streuungen unterworfen ist. Fließt durch zwei LEDs derselbe Strom, besitzen sie eben nicht die gleiche Vorwärtsspannung.


    Zitat

    Ein Widerstand hat eine Lineare U-I-Kennlinie. Da die LEDs aber eine Kennlinie haben, die relativ steil ansteigt, würde da ein Widerstand doch kaum eine Wirkung haben.


    Eben aus genau dem Grund besitzt ein Vorwiderstand vor LEDs stromstabilisierende Wirkung - Fakrae hat es dir ja sogar noch vorgerechnet.

    Die LED wird immer mit genau soviel Spannung versorgt wie sie für den entsprechenden Strom braucht - das macht die IMMER selbst ;) Die U-I-Kennlinie besagt ja genau das: Wenn X Strom fließen sollen muss Y Spannung angelegt werden (wobei durch Fertigungstolleranzen JE NACH LED Y bei einem festen X trotzdem um bis zu 0,3V schwanken kann). Wenn du mehr Spannung anlegst fließt mehr Strom, wenn du weniger anlegst fließt weniger Strom... Wenn du nicht willst, dass die LED durch die Spannung begrenzt ist, dann leg 1kV an (NICHT MACHEN!^^) - dann fließen da kurz einige MegaAmpere (aber wirklich nur SEHR kurz) und dann ist sie kaputt ;) Aber dafür war sie nicht durch die Spannung begrenzt ^^ (Und du hast sogar sehr viel an Leuchtkraft verloren ^^)


    Da die Kennline exponentiell verläuft, stabilisiert der Widerstand. Denn der Strom der durch die LED will (wegen zu hoher Spannung) muss durch den Widerstand, aber durch den höheren Strom steigt die Verlustspannung (U = R * I) am Widerstand, wodurch die Spannung an den LED sinkt und weniger Strom fließt. Deswegen wirkt der Widerstand dem unkontrollierten Ansteigen des Stroms der LEDs entgegen.

    Zitat von Fakrae

    Die LED wird immer mit genau soviel Spannung versorgt wie sie für den entsprechenden Strom braucht - das macht die IMMER selbst ;) Die U-I-Kennlinie besagt ja genau das: Wenn X Strom fließen sollen muss Y Spannung angelegt werden (wobei durch Fertigungstolleranzen JE NACH LED Y bei einem festen X trotzdem um bis zu 0,3V schwanken kann). Wenn du mehr Spannung anlegst fließt mehr Strom, wenn du weniger anlegst fließt weniger Strom...

    Moment.... Genau an dieser Stelle bin ich einer anderen Meinung. Und Bitte korrigiere mich, wenn ich mich irre.
    Ich habe mal das Diagramm mit der U-I-Kennlinie von der LED hochgeladen, die ich verwenden möchte. Es ist die LG Q971-KN-1 von Osram.


    Schauen wir uns mal die rot markierte Stelle an. Wenn ich es richtig verstanden habe, dann würde die LED bei 3.5V einen Strom von 100mA durchlassen wollen. Genau das ist doch das, was du mit "das macht die immer selbst" meinst. Da die LED aber die 100mA nicht aushalten würde, sondern nur 25mA, muss ich den Strom eben auf diese 25mA begrenzen.


    Ist diese Überlegung richtig??


    Wenn ja, dann:
    Schauen wir uns mal die blau markierte Stelle an. Dort will / kann die LED bei einer Spannung von 2.2V einen Strom von 20mA durchlassen. Da begrenzt die den Strom selbst. Wenn du jetzt aber sagst, dass durch Fertigungstolleranzen die Spannung um 0,3V schwanken kann, dann wäre ich bei 2.5V bei 40mA die die LED durchlassen will. Und das wäre schon zu viel für sie. Und deshalb muss auch hier der Strom auf die maximalen 25mA begrenzt werden.

    Deine Überlegungen sind richtig!
    Und dazu kommt noch der negative Temperaturkoeffizient der LED von ein paar Millivolt pro Grad. Das verschiebt im Betrieb die Kennlinie noch ein mal. Deshalb als Bezugsgröße den Strom nehmen und die Spannung ausreichend dimensionieren.


    Wobei ich bei dieser Dekofigur den Aufwand minimieren würde. Die LEDs werden auch weit unter ihrem Nennstrom schon ausreichend hell sein und ich würde hier versuchen mit Reihenschaltungen und Vorwiderständen zu arbeiten und mir den Step-up einfach sparen ^^

    Jain, das ist nur zum Teil richtig. Bei deinen 2,2V ist der typische Arbeitspunkt, an dem fließen die 20mA. Durch die Fertigungstolleranzen kannst du dir die Kurve aber nicht als Kurve sondern eher als Fläche vorstellen. Ungefähr so:

    (Ja ich weiß, sieht hässlich aus, aber sollte verdeutlichen was gemeint ist)


    Die LEDs haben durch die Tolleranzen bei der Fertigung eine Kennlinie parallel zur gegebenen aber um einen (meist unbestimmten) Wert nach Rechts oder Links verschoben (hier also innerhalb der roten Fläche). Dadurch ist es möglich, dass eine LED bei 2,35V 20mA hat und eine andere bei 2,05V 20mA hat. Da in einer Reihenschaltung der Strom gleich bleibt (und sich nicht die Spannung gleichmäßig verteilt) haben alle LEDs in einer Reihe den selben Strom, wobei jetzt bei 22V es auch passieren kann, dass eine LED 2,05V hat und die nächste 2,35V - im Mittel sind es eben 2,2V. Dadurch wird die Kennlinie sich immer weiter der idealen annähern, je mehr unterschiedliche LEDs in Reihe geschaltet werden. (Bei LEDs aus dem gleichen Bin gilt das weniger gut, denn die Toleranz unterscheidet sich innerhalb eines Bins nicht sehr, sondern nur zwischen den Bins. Innerhalb eines Bin hast du in der Regel Schwankungen von wenigen Millivolt. Da hat die beste LED (bspw) 2,08V und die schlechteste 2,085V (mit dem Zentrum bei 2,0825V) während sich bei einem anderen Bin die Spannung möglicherweise um 2,28V herum konzentriert)


    Prinzipiell betreibt man eine LED immer mit einem konstanten Strom und passt dafür die verfügbare Spannung an. Das heißt (bspw) wenn ich deine LED mit 20mA betreiben will, verwende ich eine Konstantstromquelle mit einem Bereich von "2,0 - 2,5V", die selbstständig den Strom anpasst. Aber die KSQ passt den Strom dadurch an, dass sie die Spannung solange regelt bis der Strom fließt, sie begrenzt also den LED-Strom, indem sie die Spannung anpasst. Das ist genau das, was auch jedes Festspannungsnetzteil tut (bloß nicht autonom, sondern von dir eingestellt). Die LED wird immer durch die verfügbare Spannung begrenzt, wenn der Strang bei 20mA 22V braucht, dann stell ich meine Spannungsquelle eben auf 22V ein und schon ist der Strom (für diesen einen Strang) auf 20mA begrenzt (na gut, vielleicht auch 22mA, wenn man die Erwärmung mit einrechnet - anderes Thema)


    Sowohl eine Konstantstromquelle als auch eine Festspannungsquelle liefern immer genau den Strom, der aufgrund der Spannung gefordert wird. Der einzige Unterschied ist, dass eine KSQ ihre Spannung anpasst, bis ein bestimmter Strom fließt. Sozusagen eine geregelte Festspannungsquelle.



    Zitat

    Da die LED aber die 100mA nicht aushalten würde, sondern nur 25mA, muss ich den Strom eben auf diese 25mA begrenzen.


    Und genau das tust du, indem du die Spannung auf ~2,2V stellst. Entweder selbst mit einer Festspannungsquelle (Netzteil), oder über Widerstände und Netzteil oder indem du eine regelnde KSQ benutzt.


    Zitat

    dann wäre ich bei 2.5V bei 40mA die die LED durchlassen will


    Jain ^^ LED A BRAUCHT 2,2V für 20mA, LED B BRAUCHT 2,3V für 20mA, bei 2,3V lässt LED A zwar 30mA durch, aber durch den Widerstand und das Netzteil tritt dieser Fall nicht ein, weil eben nur 2,2V zur Verfügung stehen (immer gemittelt pro LED über den ganzen Strang) - dadurch wird LED A 2,2V bekommen, LED B bekommt 2,3V und eine LED C, die für 20mA eben nur 2,1V braucht, bekommt nur 2,1V. Im Mittel sind es immer 2,2V aber trotzdem hat jede LED genau soviel Spannung wie sie braucht um den erforderlichen Strom durch zu lassen. In einer Reihenschaltung begrenzen auch die anderen LEDs den Strom, so komisch das auch klingt ;) Weil der Strom durch alle LEDs fließen muss und damit bei allen LEDs gleich sein muss, passt jede LED automatisch die Spannung an, die sie bekommt - solange wie eben noch etwas übrig ist von der verfügbaren Gesamtspannung, die dein Netzteil liefert.