2,4V-StepUp-PowerLed-Treiber

  • Hallo LED-Community,


    ich habe hier im Forum längere Zeit unregistriert mitgelesen und möchte mich nun mit einer kleinen Eigenentwicklung bei Euch vorstellen. Ähnliche Schaltungen wurden zwar hier schon diskutiert, die hier vorgestellte Schaltung hat diesen gegenüber aber enorme Vorteile bezüglich Bauelementeaufwand, Wirkungsgrad und Funktion. Die Schaltung ist nicht irgendwo geklaut, sondern meine eigene Entwicklung. Sie wird hiermit sozusagen zu Freeware.


    Wie der Titel schon sagt, handelt es sich um einen sehr einfachen StepUp-PowerLed-Treiber mit sehr hohem Wirkungsgrad. Je nach Dimensionierung kann die Schaltung Ströme bis in den Amperebereich an die Led(s) liefern. Es ist sogar möglich, dabei 2 oder mehr PowerLed in Reihe zu schalten. Getestet habe ich mit bis 2 weissen und 8 roten 1W-Luxeon in Reihe, mehr PowerLeds hatte ich nicht da. Alles an 2V Betriebsspannung! Die Schaltung funktioniert vernünftig bei Betriebsspannungen von 1.8V bis zur Led-Flusspannung, auch bei mehreren Led in Reihe, sie ist also optimiert für mindestens 2 NiMh-Akkus oder Alkalinebatterien. Der Wirkungsgrad ist bei einer Led und geeigneten T2/R3 immer über 80%. Der in den Bildern 2 bis 7 gezeigte Aufbau liefert an einer weißen Led sogar ca. 90% bei 2,4V.


    Eigentlich ist die Schaltung so einfach, dass sich eine Funktionsbeschreibung erübrigt, aber ich will es trotzdem tun:
    Die Schaltung ist vom Prinzip her ein Hysteresewandler, der den Drosselstrom regelt. Bei Anlegen der Betriebsspannung ist T1 gesperrt und somit T2 geöffnet. Dadurch wird die Drossel L aufgeladen, bis ihr Strom einen bestimmten Schwellwert, nämlich IL=(UbeT1-UfD1)/R3, etwas übersteigt. Dann öffnet T1 und der 7555 schaltet T2 ab. Der Drosselstrom fliest jetzt durch die Led und nimmt dabei mit der Zeit so weit ab, bis der oben genannte Schwellwert etwas unterschritten wird und die Schaltung zurückkippt usw..
    Die Diode D1 übernimmt neben der Verringerung der über R3 notwendigen Messspannung auch die Temperaturkompensation des Messtransistors T1. Außerdem sorgt sie für eine Abregelung des Drosselstroms mit steigender Betriebsspannung. Dies ist nötig, weil hier ja nicht direkt der Ledstrom, sondern die Stromaufnahme der Schaltung geregelt wird. Für konstante Leistung muss also bei steigender Betriebsspannung der Strom abgeregelt werden. Da die Stromaufnahme der Schaltung zeitlich nahezu konstant ist, kommt man mit einem kleinen Abblockkondensator C=1µ Keramik aus.



    Die im Bild1 eingetragene Dimensionierung (T2=BC327-40) ist für etwa 350mA Ledstrom. Für andere Ströme muss man für T2 entsprechende Transistoren einsetzen und den Widerstand R3 anpassen (für 700mA z.B. den ZTX790a und 0,1 Ohm). Das Ledstrom-Feintuning kann man mit R1 machen, dieser Widerstand verändert UfD1.


    Die in den Bildern 2 bis 7 gezeigte, in 3D-Drahtverhau aufgebaute, Schaltung ersetzt bei mir in einer an sich ungeregelten und unbegrenzten 3*AA-1W-Ledtaschenlampe eine AA-Zelle. Was lag da also näher, als die Schaltung in eine ausgeleerte AA-Batteriehülse einzugiessen und sie an der Stelle der Originalbatterie einzubauen!



    Hier der Betrieb mit 1W weiße Led



    und hier der Betrieb mit 8x1W rote Luxeon, natürlich bei 2V



    Fertig zum Eingiessen in die leere Batteriehülse





    Die Schaltung muss noch mit einer Lage Isolierfolie (Im Bild7 ist die braune Polyimidfolie zu sehen) an der Stirnseite und einmal ringsherum isoliert werden. Etwas Isolierschlauch auf die Anschlüssdrähte gegen Kurzschlüsse zum Becherrand, vergiessen und fertig.


    Ich wünsche viel Erfolg beim Nachbau und Experimentieren

  • Hey, großen Respekt für die Selbstentwicklung.
    Hat den Namen "IC" wirklich verdient :-P


    Jetzt noch nen PWM In dran und dann vermarkten ;-)
    Aber mist jetzt ist es ja schon Free, trotzdem wenns möglich wäre wäre ein PWM In echt genial.


    Greetz

  • Na, das ist doch mal ein Top Einstieg in's Forum! :thumbup:


    Nur aus Neugier, nicht falsch oder als "Kritik" o.ä. verstehen, ich frage nur nach, weil ich mich mit sowas nicht wirklich auskenne:

    Dies ist nötig, weil hier ja nicht direkt der Ledstrom, sondern die Stromaufnahme der Schaltung geregelt wird. Für konstante Leistung muss also bei steigender Betriebsspannung der Strom abgeregelt werden.

    sehe ich das richtig, dass die Schaltung also immer eine (im Mittel) konstante Leistung an die LED(s) abgibt, keinen konstanten Strom?


    weil ich das oben in Verbindung mit

    Da die Stromaufnahme der Schaltung zeitlich nahezu konstant ist, kommt man mit einem kleinen Abblockkondensator C=1µ Keramik aus.

    so verstehe, dass die *gesamte Schaltung*, also inkl. LED(s) *immer* ca. den selben Strom zieht (also zwischen den 2 Schaltpunkten schwankend)...? - also z.B. bei 2 Volt und 350 mA dann konstant 700 mW..?


    also z.B. jetzt bei den 8x1-Watt Luxeon an 2 Volt teilen sich die 700 mW dann auf, so dass jede LED nur noch 87,5 mW (im Mittel) abbekommt..? - Weil sich das für den unbedarften Leser so anhört von der Beschreibung her, als würde die Schaltung da nun 8 Watt liefern... (halt immer konstant 350 mA) - aber das würde ja nicht gehen, wenn sie konstant 350 mA an 2 Volt zieht...


    ich kenne mich halt mit so Schaltreglern nicht wirklich aus, aber sehe ich das richtig, dass ja der (fast) konstante Strom praktisch *entweder* durch T2 *oder* durch die LEDs fließt, und immer während T2 offen ist, die LEDs dann nicht leuchten..? - weil der die ja praktisch kurzschließt... und je mehr LEDs ich ranhänge, umso länger sind die LEDs aus, also im Mittel um so weniger Strom durch die LED...? - Damit die Gesamtleistung wieder gleich bleibt, also z.B. entweder 1 LED mit ca. 350 mA oder 2 in Reihe mit nur die Hälfte der Zeit Strom an, also im Mittel 175 mA und damit wieder die selbe Gesamtleistung(?)


    Wie gesagt, ist nur ne Frage, weil ich das Ganze gerne verstehen will - weil das:

    Eigentlich ist die Schaltung so einfach, dass sich eine Funktionsbeschreibung erübrigt,

    gilt halt nicht für jeden hier... ;)

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    Da es sich in letzter Zeit häuft: Ich beantworte keine PNs mit Fragen, die sich auch im Forum beantworten lassen!
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  • Und wenn Du den Treiber einfach in die Laterne mit einbaust...? - ist doch generell eh' besser, wenn der näher an der LED ist... also 2 AA in der Stange lassen, und in die Laterne HP-LED mit KK und oben drauf ne kleine Platine mit dem Treiber :thumbup:

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  • Hatte ich auch schon überlegt, aber das Ding sollte eben auch oben möglichst unverändert aussehen. Wie ich das genau kühlen werde, ist auch noch so eine Frage, ich kann ja schlecht einfach so nen Stern-KK da rumbaumeln lassen ;)


    Letzten Endes wird es aber wohl vermutlich darauf hinauslaufen. Also 2 AA im Stock, Treiber direkt bei der LED irgendwo im/am KK versteckt. Trotzdem fänd ich 'ne P4 an nur einer Zelle sexy, schafft Raum für schicke Mini-Taschenlampen. So wie diese 5mm-Funzeln am Schlüsselbund mal in RICHTIG hell. 8)

  • nighty2k:
    Für PWM lässt sich ganz einfach parallel zu T1 ein weiterer Transistor (bipolar npn oder n-Kanal-Fet, BS170 wäre gut) anschließen. Emitter/Source an Emitter und Kollektor/Drain an Kollektor, die Basis bzw. das Gate dann mit optionaler Schutzbeschaltung (Reihenwiderstand in der Basis/Gate und Z-Diode nach Masse) an den µC- oder PWM-Ausgang und das wars.

  • Pesi:
    Ja, die Schaltung versucht (nicht ganz perfekt) die Leistungsaufnahme zu regeln. Da die Ledspannung aber praktisch konstant ist, führt dies automatisch zu konstantem (mittleren) Ledstrom.


    Du hast völlig Recht, die Schaltung zieht immer den selben Strom der nur zwischen den beiden Schaltpunkten schwankt. Allerdings stimmt die Schlussfolgerung ( - also z.B. bei 2 Volt und 350 mA dann konstant 700 mW..?) nicht ganz. Die Stromaufnahme für 350mA mittleren Ledstrom liegt bei ca. 500mA, da der Ledstrom ja nur in der Zeit fliesst, in der der Transistor T2 abgeschaltet ist. Damit ist die Leistung dann etwa konstant 1W. Bei dieser Beschreibung habe ich die Verluste (der Einfachheit halber) mal nicht berücksichtigt.


    Die 8 roten Luxeon habe ich nur mal angeschlossen weil sie da waren und ich mal sehen wollte obs geht. Deine Rechnung mit der Leistung an den 8 Led ist unter Berücksichtigung des oben Gesagten richtig.


    Deine Funktionsbeschreibung am Ende stimmt auch.

  • @ dgoersch:
    Aus einer Zelle (also 1,2V) eine 1W-Led (oder gar noch mehr) zu versorgen ist nicht wirklich zu empfehlen. Unter Berücksichtigung der unvermeidlichen Verluste müsste dann dauerhaft ein mittlerer Strom von ca. 1A von der Zelle geliefert werden. Der Spitzenstrom wäre noch deutlich höher. Das kann man bei Batterien komplett vergessen. Der hohe Spitzenstrom fliest auch durch die Led, die damit weit außerhalb ihrer zulässigen Grenzwerte betrieben wird (für 1W-Luxeons sind 500mA Puls erlaubt). Die Lebensdauer leidet darunter extrem.

  • Alter schwede sehr nice umgesetzt !


    Und wenn man statt Batterien Akkus nimmt bekommt man da problemlos genug Leistung raus (solange man nicht die Akkus für 99 Cent im 4er Pack nimmt).


    2A aus einer AAA Microzelle, 4A aus einer AA Mignonzellle sind überhauptkein Problem.
    Wenn man jetzt sogar noch NiCD Zellen nimmt kann man da noch mehr rausholen (aber dank der EU sind NiCd zellen nur noch in Medizingeräten oder Arlarmanlagen erlaubt ..)


    Ganz krass wir das bei den LIPO Zellen 18650/A123 die kann man bis zu 60A entladen und damit mal eben so >100Watt aus einer Zelle ziehen :P


    mfg
    Falo

  • 60A aus einer 18650er Zelle? Geht sicher nur im Kurzschluss für kurze Zeit. Nutzbar ist das doch kaum. Habe dazu vor einiger Zeit auch mal was gesucht und dabei im Messerforum diese Messkurven solcher Akkus gefunden. Vielen Dank an die Jungs dort für die Diagramme.

    Edit: hatte 100A statt 60A geschrieben

  • Hallo,


    A123 ist bekannt für LiFePo und die können diese Ströme wirklich ab haben allerdings auch nur 3,3V Nennspannung wenn ich mich nicht irre.
    @ Ledbastler: Nein, hast nichts verpasst, bekommen tut man normale LiIon Zellen im 18650er Format, LiPo macht in dem Format nicht wirklich Sinn


    lg


    Christian

  • Jo, hatte mich etwas unglücklich ausgedrückt


    Ich meinte in diesen Fall natürlich nicht die Dealextreme Trustfire Zellen sondern 'vernünftige' FePO4 im Format der 18650 Zelle.



    Beispiel der Erfinder gibt für seine 18650er' Zelle einen DAUER entladestrom von 30A an.
    http://www.a123systems.com/a123/products


    Sehr viele Infos zu den praktischen Werten/erfahrungen findet ihr in diesen Thread:
    http://www.rc-network.de/forum/showthread.php?t=63180


    Da sind wirklich alle Infos vom grundsätzlichen, Lade/entladekurven (bis 75) , temperatur/Zyklusverhalte, Löttechniken usw.


    Auch Wikepeda bietet natürlich auch was an infos an:
    http://de.wikipedia.org/wiki/L…isen-Phosphat-Akkumulator



    Wiegesagt etwas unglücklich von mir im letzten Post ausgedrückt aber ich habe solche Zellen schon vor ein paar Jahren mit über 70A entladen und mit 15A in 15 Minuten wieder vollgepustet im Modellbau.


    mfg
    Falo

  • Fasti und Falo, danke für die Infos. Mit 3,3V-Akkus geht vielleicht wirklich was. Für die Funktion der Schaltung oder besser für das Überleben der Led muss sichergestellt sein, dass die Uf der Led beim gewünschten Strom immer größer ist als die Betriebsspannung. Anderenfalls ist die Led über die Drossel L und den Messwiderstand R3 praktisch direkt an die Betriebsspannung angeschlossen. Der Schaltregler selbst hat dann keinen Einfluss mehr. Bei großen Strömen könnte die Bedingung erfüllt sein, denn da fällt ja die Akkuspannung etwas und gleichzeitig steigt die Uf der Led an.

  • Hallo Renegade,


    so einfach war es leider nicht. Im Inneren befindet sich mit einer Paste aus Zink und Kaliumhydroxid getränktes Papier. Dies bekommt man ganz einfach raus. Weiter nach aussen folgt dann aber eine etwa 3mm starke und mit dem Becher verpresste Schicht aus Braunstein. Nach vielen Versuchen ging dann stufenweises Ausbohren am Besten. Dabei muss die Hülse aber vorsichtig in der Hand gehalten werden. Die letzten ca. 0,5mm muss man von innen sanft abkratzen. Dabei brechen dann meist größere Stücke heraus. Aber Vorsicht, die Becherwand ist recht dünn (ca. 0,5mm) und man macht sich leicht hässliche Beulen rein. Der Becher scheint aus vernickeltem Stahlblech zu sein. Als Rostschutz habe ich die Schnittfläche noch verzinnt.


    mfg
    Transistor