Leistungs-LEDs sind Fehlkonstruktionen

    hallo zusammen


    Danke mal für die Beteiligung!


    Ich formulier mal neu, vielleicht werden meine Überlegungen und Fragen dann klarer:
    Der Titel ist wie gesagt provokativ, aber zielgerichtet: es geht mir um die Konstruktion, resp Beschaltung der LED.
    Die konkrete Anwendung: Taschenlampen.


    Zur Optimierung des ganzen Systems müssen alle am Stromkreis teilhabenden Komponenten berücksichtigt werden.
    Ich teile diese in vier Gruppen:
    - Akku
    - Converter
    - Verbindungsteile (Federn, Drähte, Schalter)
    - LED


    Als Akku gebe ich eine bis vier Zellen 18650 in Serie vor.
    Als Kompromiss zwischen Gewicht und Leistung/Kapazität beschränken wir uns hier für weitere Überlegungen auf 2*18650 in Serie.


    Die Verbindungsteile sind nun mal real und nicht zu ignorieren.
    Wie in diesem Thread auch von anderen bestätigt, sind solche mit ohmschen Verlusten behaftet. Mit KoF's Worten:
    "Mehr Spannung = weniger Strom. Weniger Strom = weniger ohmsche Verluste"


    Einen Converter setz ich als notwendig voraus.


    Für die LED bring ich nun Kanwas' Cree MC-E ins Spiel:
    "Da kann man dann die vier Chips nach belieben schalten."
    Also zB entweder
    A) alle parallel: 2'800mA @ 3.4V oder
    B) alle in Serie: 700 mA @ 13.6V


    Betrachtet man nur die ohmschen Verluste über den Verbindungsteilen, dann dürfte die Variante B) die Präferenz für eine Realisierung sein.
    Wer geht da mit mir einig?


    Allerdings ist das ja nicht das einzige Kriterium.


    Der Converter stellt für mich persönlich die BlackBox dar, da ich damit praktisch keine Erfahrung habe.


    Die Fragen in diesem Zusammenhang:
    1) betrachtet man den Converter isoliert von den anderen Komponenten, ist dann Variante A) oder Variante B) besser zu realisieren?
    2) betrachtet man auch die ohmschen Verluste in den Verbindungsteilen mit, welche Variante ist dann im Vorteil?


    So, ich hoffe, dass ich mit diesen Ausführungen etwas klarer rüber komm. Ansonsten bitte gerne nachfragen!

    Wie schon erwähnt. Die Verlustleistung an den Federn bekommst du auch nicht mit einem Konverter in den Griff. Der zieht ja auch einen großen Strom bei kleiner Spannung und gibt einen "kleinen" Strom bei höherer Spannung wieder aus. Natürlich mit Verlusten.

    Ich möchte noch zum vielbezweifelten Widerstand der Federkontakte Stellung nehmen:


    Zitat von Mirfaelltkeinerein

    Darüber hinaus dürften die Federkontakte lokal schon heiß werden, wenn wirklich an jedem 0,8W verbraten werden.

    Absolut korrekt: ziemlich warm! Also schon rein sensorisch ein spürbarer Verlust. Das hat mich eigentlich erst darauf gebracht, der Sache nachzugehen 8)


    Zitat von Mirfaelltkeinerein

    So eine Taschenlampe dürfte vom Gesichtspunkt der optimalen Aufbautechnik nicht auf optimale Effizienz sondern auf optimalen Gewinn getrimmt sein.

    Da hast Du auch Recht, das dürfte bei den meisten Anbietern der Fall sein.


    Zitat von Mirfaelltkeinerein

    Widerstände in dem Bereich zu messen, ist nicht mehr trivial. Einfach mal mit dem Multimeter, das nur auf 0.1 Ohm genau anzeigt, dran, ist nicht ausreichend.

    Ist eigentlich gar nicht schwierig, Gustav Robert Kirchhoff hilft einem dabei: R = U / I.
    Lass einen Strom von 2'800 mA durch die Feder fliessen und miss die abfallende Spannung. Mein Fluke DMM sagt dann 280 mV. Das sind beides Werte, die gut messbar sind und akzeptable Genauigkeit aufweisen. Und das ergibt dann 100 mOhm. Es sei denn, ich hab was fundamental falsch gemacht .. ist ja (fast) alles möglich


    Zitat von Leuchtenmann

    Wie schon erwähnt. Die Verlustleistung an den Federn bekommst du auch nicht mit einem Konverter in den Griff. Der zieht ja auch einen großen Strom bei kleiner Spannung und gibt einen "kleinen" Strom bei höherer Spannung wieder aus. Natürlich mit Verlusten.

    JEIN.
    Meine (gekaufte) TaLa hat ja auch LED seitig zwei Kontaktfedern. Eine vierfache Spannung vermindert den Leistungsabfall dort um den Faktor 16.
    Akku seitig kann ich natürlich nix machen wenn ich die Anzahl der Akkus auf 2 fixiere.
    Ich hab aber aus der Sache gelernt, dass ich TaLa mit nur einem Akku eher meiden werde. Solche mit nur einem AA sowieso.

    Ich hab verschiedene solcher Dinger. Es geht mir eigentlich weniger darum, eine ganz bestimmte Lampe zu modden, als mehr darum, prinzipielle Fragen aufzuwerfen.
    Das erste Mal bin ich auf die Problematik gestossen, als ich mich für die SST-90 interessierte. Das ist ja so ein irres Ding mit 9'000mA @ 4.2V. Wenn man Forenbeiträge zum Thema Treiber liest, scheint das ja auch nicht gerade ein einfach zu lösendes Problem zu sein.
    Wenn ich auf der anderen Seite von HUEY JANN die 20W und 50W LED anschaue, habe ich den Eindruck, dass sich sowas viel einfacher handhaben lässt.
    Diese Vorgeschichte plus die Beobachtung der heissen Federn hat mich darauf gebracht mal zu fragen, wieso diese Multichips in TaLa nicht eher seriell statt parallel geschaltet sind.


    Irgendwann will ich dann auch was selber bauen und da ist es doch hilfreich, sich vorab das Wissen dazu aufzubauen :)

    Hallo,


    es war nicht Kirchhoff sondern Georg Simon Ohm der R=U/I gesagt hat. Die Messung an sich scheint in Ordnung aber 100mOhm sind ein Wahnsinn, da kann man auch eine Feder aus nem Kugelschreiber nehmen und hat weniger. Solltest du alles richtig gemessen haben (mit KSQ, die Spannung nicht mit den Klemmen gemessen mit denen du den Strom eingeprägt hast, etc.. ) dann gibts nur eines, weg mit den Dingern und was besseres organisieren. Auch der Ansatz mit dem Step down ist passend, ein Zetex ZXLD1360 sollte dir hier perfekt helfen können.


    Grüße


    Fasti

    Peinlich, und das mir. Kirchhoff hat sich bei mir offenbar stärker in's Hirn geprägt :whistling:
    Anyway, man könnte es ja auch optimistisch sehen: die Federn sind prima Akku-Heizungen fürs Hochgebirge :D


    Ich bin grad dabei, das Paper von KoF zum HV9930 zu lesen. Heisses Teil!
    Hast Du ne gute literarische Empfehlung zum Zetex ZXLD1360? [EDIT: hat sich erledigt, ist ein einfacher StepDown ..]

    Zitat von Didi

    Ich bin grad dabei, das Paper von KoF zum HV9930 zu lesen. Heisses Teil!


    Finde ich auch und mit der richtigen Recherche wirst du noch zig andere interessante Varianten Finden können! Hab in letzter zeit mich oft mit effizienten und sicheren (Stör und EMV) Spannungswandlersystemen und Konzepten beschäftigt - Es gibt schon echt anspruchsvolle und interessante Dinger (z.B. Bidirektionale Schaltregler, die je nach Definition der Eingangsseite mal Buck und mal als Boos verwendet werden - einfach umdrehen und schon macht die Schaltung das Gegenteil).
    Aber mal im Ernst - abgesehen, dass das entsprechende Bauteil nicht zu beschaffen sein wird, weil vermutlich nur OEMs beliefert werden, wäre der Aufwand (rechnerisch in harten €uros, Platzverbrauch und elektrische Dimensionierung) echt ein Harter Brocken für eine Taschenlampe.


    Neulich ist da mal ein cooler Spruch in meiner Gegenwart gefallen:
    Autos hatten vor 20 Jahren bis auf den Zündfunken keine Elektronik - fahren tun sie aber immernoch auf Rädern. Und Taschenlampen hatten vor drei Jahren nur Batterien, ggf. einen Schalter und eine Birne und machten auch nur Licht.
    Der zweck heilig halt die Mittel - nur manchmal ist man auf göttlichen Höhenflug und will alles :D

    Ja ja, ich geh mit Dir einig.Wie schon in Beitrag #25 gesagt, geht es mir vorerst um prinzipielle Fragen.
    Es ist ja immer sinnvoll, über den Tellerrand hinauszuschauen.
    Konzessionen machen muss man dann eh.


    Aber wie auch schon gesagt, ist dieses Vorgehen ja lehrreich:
    Ich hab unter anderem auch eine SSC P7 mit nur 1*1860 und weiss nun, wieviel wo verloren geht.


    Man ist ja manchmal einfach nur neugierig ... :)

    Zitat von Didi

    Diese Vorgeschichte plus die Beobachtung der heissen Federn hat mich darauf gebracht mal zu fragen, wieso diese Multichips in TaLa nicht eher seriell statt parallel geschaltet sind.

    Step-Down-Wandler lassen sich wesentlich einfacher effizient realisieren als Step-Up-Wandler. Vor allem, wenn die Eingangsspannung wesentlich niedriger ist als die Ausgangsspannung. Wenn dann auch noch ein großer Ausgangsstrom geliefert werden soll, wird es richtig kompliziert und mit der Effizienz ist es vorbei. Schließlich muss die Leistung, die am Ausgang bei hoher Spannung abgegeben werden soll am Eingang bei niedriger Spannung aufgenommen werden plus den Verlusten. Damit das funktioniert müssen hohe Ströme fließen und das funktioniert wieder nur, wenn die Widerstände und Induktivitäten klein sind. Damit wird wieder die Schaltfrequenz hoch und die Schaltverluste steigen an. Weil das alles schwierig zu beherrschen ist, schalten die Hersteller von Multi-Chip-Taschenlampen wohl lieber die LEDs parallel als in Reihe. Eventuell sind die Verluste an den Kontaktfedern geringer als in einem Step-Up-Wandler. Die hier irgendwo genannten 92% halte ich schon für sehr sehr gut. Die meisten dürften wesentlich schlechter sein.

    Außerdem würde das in Serie Schalten der Chips bei Beibehalten der Zellenanzahl nix ändern. Die Ströme an den Federn wären die selben bzw. sogar etwas höher wegen der Verluste am Aufwärtsregler.


    Der Regler zaubert ja nicht auf einmal mehr Energie herbei, die aus den Zellen entnommene Leistung ändert sich nicht. Ob 1A bei 10V oder 10A bei 1V bleiben nunmal 10VA die aus den Zellen kommen müssen. Wenn man die Spannung der Zellen nicht ändert (durch mehrere in Serie) bleibt der Strom der selbe.

    Zitat von KoF

    echt anspruchsvolle und interessante Dinger (z.B. Bidirektionale Schaltregler, die je nach Definition der Eingangsseite mal Buck und mal als Boos verwendet werden - einfach umdrehen und schon macht die Schaltung das Gegenteil).
    Aber mal im Ernst - abgesehen, dass das entsprechende Bauteil nicht zu beschaffen sein wird, weil vermutlich nur OEMs beliefert werden, wäre der Aufwand (rechnerisch in harten ?uros, Platzverbrauch und elektrische Dimensionierung) echt ein Harter Brocken für eine Taschenlampe.

    Das kann jede synchrone Halbbrücke - in der einen Richtung ist es ein Synchronbuck und in der anderen ein Synchronboost! "Einfach umdrehen" wird dabei allerdings mit keinem noch so teuren Spezial-IC gehen, da die Regelung ja wissen muss, auf welchen der beiden möglichen Ausgänge sie regeln soll, zumindest diese Information muss also umgeschaltet werden!


    Deinen vielgepriesenen Cuk-Converter finde ich in diesem Forum ziemlich fehl am Platz, da hier im allgemeinen die EMV-Problematik nicht das wichtigste Thema sein wird (schon gar nicht bei Taschenlampen!) Und einen besseren Wirkungsgrad als Buck oder Boost hat ein Cuk auch nicht, eher im Gegenteil:

    Zitat

    The HV9930 based LED Lamp drivers can achieve efficiency in excess of 80%.

    Um den Wirkungsgrad zu verbessern, empfiehlt sich ein Synchronbuck oder -boost allemal eher. Ich würde generell empfehlen, Auslegungen zu meiden, bei denen die Eingangsspannung mal kleiner und mal größer als die Ausgangsspannung wird. Dann braucht man nämlich tatsächlich einen Cuk bzw. den klassischen Inverswandler und muss diese im Betriebspunkt mit dem größten Stomrippel betreiben.


    Zitat von Mirfaelltkeinerein

    Step-Down-Wandler lassen sich wesentlich einfacher effizient realisieren als Step-Up-Wandler. Vor allem, wenn die Eingangsspannung wesentlich niedriger ist als die Ausgangsspannung.

    Über diesen Satz solltest Du nochmal nachdenken.


    Zitat von Mirfaelltkeinerein

    Damit das funktioniert müssen hohe Ströme fließen und das funktioniert wieder nur, wenn die Widerstände und Induktivitäten klein sind. Damit wird wieder die Schaltfrequenz hoch

    Das ist ein Trugschluss! Bei höheren Strömen sind ja auch höhere Stromrippel zulässig, sodass man trotz kleinerer Induktivitäten nicht unbedingt auf höhere Frequenzen kommt.

    Zitat von MOSFET

    Über diesen Satz solltest Du nochmal nachdenken.

    Hmmm, tu ich gerade. Funktionsweise eines Step-Up-Wandlers ist doch: Induktivität mit hohem Strom bei niedriger Spannung 'aufladen'. Dabei spielen ohmsche Verluste eine große Rolle. Dann wird der Stromfluss unterbrochen und die Selbstinduktion treibt die Spannung hoch. Die Induktivität wird 'entladen'. Je höher die Spannung werden soll, desto geringer ist der zur dabei Verfügung stehende Strom (im zeitlichen Mittel). Wenn der Ausgangsstrom hoch sein soll, muss der Eingangsstrom um das Spannungsübersetzungsverhältnis höher sein plus Ausgleich der Verluste. Damit wird es immer aufwändiger, bei hohen Übersetzungsverhältnissen hohe Ausgangsströme zu realisieren. Da die Eingangsströme immer höher werden fallen ohmsche Verluste immer stärker ins Gewicht und die Effizienz leidet.


    Bei einem Step-Down-Wandler benutze ich die Induktivität eigentlich nur als Strombremse...

    Mir ging es eigentlich darum, dass ein Step-down-Wandler *überhaupt nicht* funktioniert, wenn die Eingangsspannung kleiner ist als die Ausgangsspannung. So richtig prinzipielle Unterschiede im Wirkungsgrad zwischen Buck und Boost gibt es eigentlich nicht (schließlich bestehen die ja aus den gleichen Bauteilen), das hängt dann jeweils von Auslegung und Arbeitspunkt ab. Normalerweise ist es am günstigsten, eine Auslegung zu wählen, bei der man mit Buck *oder* Boost auskommt, aber möglichst wenig rauf- bzw. runtersetzen muss. Bei der nichtsynchronen Variante hat dann der Buck leichte Vorteile, weil in diesem Arbeitspunkt der Transistor fast die ganze Zeit an ist. Beim Boost leitet bei minimalem Raufsetzen fast die ganze Zeit die Diode, die üblicherweise eine höhere Durchlassspannung hat.

    Ok, dann versuch ich mal als Zauberlehrling ein vorläufiges Fazit zu ziehen -
    Berichtigungen, Ergänzungen und Anregungen erwünscht:


    Ob Buck oder Boost, die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung sollte klein gehalten werden, damit der Converter einfach zu realisieren ist und effizient arbeitet.
    Buck ist einfacher zu realisieren als Boost.


    Bei einer Versorgung mit 2*18650 (4.8 .. 8.4V) ist somit eine Cree MC-E vorteilhafterweise parallel geschaltet mit 2'800mA @ 3.4V zu betreiben.


    Dabei ist zu beachten, dass LED seitig die Verbindungen extrem niederohmig zu halten sind.
    Also idealerweise keine Federn :) , sondern Kupferkabel und Lötstellen.
    Dort liegt somit auch ein Optimierungspotenzial bei einigen gekauften TaLas.


    Akku seitig komm ich kaum ohne Federn aus, zumal fast alle Lampen, die ich schon besitze, so ausgestattet sind. Muss man halt mit leben ...


    Will ich die Brenndauer meiner TaLa erhöhen, indem ich 4*18650 verbaue, dann schalte ich diese nicht als 4s mit entsprechendem Buck, sondern als 2s2p mit entsprechendem Buck.


    Hab ich soweit alles kapiert?
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    Gibt es einen guten Online-Artikel, wo man sich seriös und effizient in die Buck Technologie einarbeiten kann?


    Der weiter oben zitierte Zetex ZXLD1360 liefert einen Maximalstrom von 1A.
    Welche Regler empfehlen sich für den Eigenbau (leicht erhältlich, günstig, einfach zu bestücken) für 2'800mA (zB SSC P7, MC-E), welche für 9'000mA (SST-90)?
    Gibt es da gute Application Notes?