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Holger

nitroxatmer

  • »Holger« ist der Autor dieses Themas

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Beruf: Regelungstechniker

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Samstag, 12. Oktober 2013, 19:41

LED Praxis Teil 2 - welche Art der Spannungs(Strom)-versorgung?

Wie in LED Praxis Teil 1 erörtert, gilt es also, auf den maximal zulässig fließenden Strom zu begrenzen.

Variante1:
Die einfachste, aber auch schlechteste, Möglichkeit ist die Verwendung eines Vorwiderstandes.
Hier wird der Strom über einen Widerstand begrenzt indem die „überflüssige“ Spannung
ganz simpel verheizt wird- was zu einem echt miserablen Wirkungsgrad führt.
(Wirkungsgrad stellt das Verhältnis von zugeführter Energie zu effektiv nutzbarer Energie dar.
Da wir Licht wollen, stellt jede anfallende Wärme für uns „Verlust“ dar und senkt somit den Wirkungsgrad)

Ab 1W LEDs ist dies unpraktikabel. Daher gehe ich darauf nicht näher ein.
Für den Bau einer LED-Aquarienbeleuchtung also nicht geeignet !

Variante 2:
Eine weitere Möglichkeit bietet der so genannte Längsregler/Spannungsregler.
Mit diesem Bauteil kann man eine (fast) beliebige Eingangsspannung auf einen
bestimmten Wert als Ausgangsspannung bzw. frei einstellen (gemeint ist hier die Normalbeschaltung).
Da der Stromfluss mit steigender/sinkender Spannung zunimmt/abnimmt,
kann man damit auch auf den Punkt genau den Stromfluß einregulieren.
Alleredings immer nur für eine LED bzw eine Kette !!
(Es sei denn, mann betreibt die LED's unter maximaler Leistunng.)

Dies setzt jedoch Messtechnik und elektronisches Verständnis voraus.
Da die gängigen Modelle analog, also stetig regelnd sind, gibt es auch bei dieser Variante einen
vergleichsweise hohen Wärme- und damit Leistungsverlust.

Daher ist diese Lösung meiner Meinung nach auch nur für 1W LEDs praktikabel.
Für höhere Leistungen macht es keinen Sinn.
Für den Bau einer LED-Aquarienbeleuchtung also nicht geeignet !

Variante 3:
Ist die Konstantstromquelle. (KSQ)
Wie der Name schon sagt, stellt diese einen konstanten Strom zur Verfügung.
Dasist die eindeutig sicherste Lösung zum Betrieb einer/mehrerer LEDs.

Da die KSQ den Stromfluß auf einen bestimmten Wert begrenzt stellt
sich an der LED dann entsprechend die passende Spannung ein.

Bei Auswahl des passenden Modells für eine Reihenschaltung von mehreren
LEDs ist auf
die maximale Spannung der KSQ zu achten.
(siehe LED-Praxis Teil 1).

Da eine aktuell übliche KSQ als ein so genannter Schaltregler ausgeführt ist,
weist sie einen hohen Wirkungsgrad auf, es geht also wenig Energie in Form von Wärme verloren.
Für den Bau einer LED-Aquarienbeleuchtung also die beste Lösung !

Variante 4:
Ein Step-Down oder auch DC-DC Wandler.
Dieser regelt, wie der Längsregler aus Variante 2, eine bestimmte Spannung aus.
Jedoch mit deutlich weniger Verlust als der Längsregler, da es sich bei aktuellen
Modellen auch um Schaltregler handelt.
Für den Bau einer LED-Aquarienbeleuchtung also nicht zu empfehlen !

Es gibt diese bereits als Fertigbausteine und sogar mit integrierter Strombegrenzung zu kaufen.
Für den Bau einer LED-Aquarienbeleuchtung also die beste Lösung !

Variante5:
Ein Schaltnetzteil mit regelbarer Ausgangsspannung.
Diese gibt es mit diversen „festen“ Spannungwerten zu kaufen- wovon einige Modelle eine
Einstellmöglichkeit für die Ausgangsspannung besitzen.

Die Einstellung liegt meist um die +/- 10-15% zur Nennausgangsspannung.
Mit einer passenden Planung der Lampe kann man also das Passende wählen.
Für den Bau einer LED-Aquarienbeleuchtung also nicht zu empfehlen !

(mein) Fazit:

Als technisch realistische Lösung bleibt nur Variante 3 mit der KSQ [resp. Variante 4(b)
mit Strombegrenzung, was dann auch eine KSQ darstellt].

Varianten 4(a) und 5 sind zur Not auch praktikabel-
jedoch nur, wenn man eine feste Arbeitstemp. sicher stellen kann und bei dieser
(und nur genau bei dieser :!: ) den Stromfluß über die Ausgangsspannung einstellt.

Wer seine LED dann doch dimmen möchte, dem sei der 3. Teil der LED
Praxis empfohlen.


PS:
Dank des wachsamen Auges von Robert noch etwas zum Thema
KSQ und Schaltregler:
Sowohl die KSQ als solches als auch das Prinzip des Schaltreglers haben noch diverse andere Einsatzmöglichkeiten.
Es ist also nicht jede KSQ automatisch ein Schaltregler und nicht jeder Schaltregler eine KSQ :!:
Für tiefer greifende Information bitte mal die Begriffe goooogeln und/oder im Elektronikkompendium reinschauen.

_________________________________________________________________________________________________

Nachtrag:
Wegen eines begründeten Einspruchs zum Betrieb der LED's mittels einer
Konstantspannung statt eines Konstantstroms (entsprechend den
Varianten 2, 4 und 5) bzgl. der Abhängigkeit des Stromflusses zur
Betriebstemp. der LED sind diese nicht empfohlen ! ("alter" Beitrag schon korrigiert)

Ich habe diese Betriebsart aus einem Buch, welches offenbar ein totaler Vollidiot geschrieben hat.
Daher werde ich diesbezüglich einen Testaufbau durchführen und die Erkenntnisse bekannt geben.


So.
Fertig.

Dank Robert habe ich es nochmal ausprobiert und- ich hätte es eig. wissen müssen :cursing: -
der Strom steigt mit steigender Temp., wie es bei Halbleitern üblich ist...


Hier die Daten:
(LED 10W mit 31-34V / max. 300mA)
Start mit 32V am Labornetzteil, Strom auf 300mA (im voraus) begrenzt:
Zeit 00 bei 21°C mit 97,5mA
x+2min 23° 100,2mA
x+3min 25° 103,4mA
x+4min
25,8°105,7mA
x+5min
27° 107,6mA
x+6min
28,3°109,6mA
x+7min
29° 111,4mA
x+8min
29,6°113,2mA
nun aber ohne Kühlkörper, hab ja nicht den ganzen Tag Zeit
:D :
innerhalb weniger als 1 min !!!
50° 160mA
67° 216mA
90° >300mA = Abbruch der Messreihe.

Wie hieran deutlich zu sehen ist, bedeutet der Betrieb von Leistungs-LED's
(also alle, die gekühlt werden müssen) ohne Strombegrenzung eine erhebliche
Gefahr bei steigenden Betriebstemperaturen !
Wenn überhaupt, ginge es nur bei festlegen einer definierten Arbeitstemperatur,
was für uns beim Aquarienbetrieb unmöglich einzuhalten ist, da im Tages- und Jahresverlauf die
Temperatur ganz sicher zu- und abnimmt.
Umgekehrt heißt das auch: wenn die LED's nicht die "Solltemp." erreicht haben,
geben Sie auch nur einen Teil der Lichtenergie ab- ebenfalls für unsere Zwecke eher unakzeptabel.

Einzig bei Auslegung der Parameter auf Werte, welche genügend Puffer zu den
Maximalwerten aufweisen, wäre es anzuwenden.

Derzeit läuft die LED wieder mit KK im Dauerbetrieb um die Betriebstemp. zu
ermitteln und die Werte festzuhalten.


Da gerade alles schön verkabelt war habe ich auch gleich mal die
Bezugsgrößen Spannung zu Stromstärke ermittelt:

LED beginnt zu leuchten ab 20,8V (bei 20°)
25V =2,11mA Differenz in mA
26V =5,11mA 3
27V =11mA 6
28V =21mA 10
29V =36mA 15
29,5V= 46mA 10
30V =60mA 14
30,5V= 75mA 15
31V =90mA 15
31,5V=115mA 25
32V =142mA 27
32,5V=171mA 29
33V =205mA 34
33,5V=247mA 42
34V =298mA 51

Anhand der Differenzen beim Stromfluß ist sehr deutlich dessen erheblich
zunehmender Anstieg bei nur geringer Spannungserhöhung zu verfolgen.

Während die Zunahme des Stroms
von 25V zu 28V (also bei 3Volt Differenz) gerade mal bei 19mA liegt,
genügen 0,5V Unterschied im Bereich der Flusspannung (33,5V zu 34V) aus,
um einen Anstieg von 51mA zu bewirken.
(was immerhin einem sechstel des Nennstroms entspricht !!)

Also:
kleine Änderungen der Parameter können hier alles Entscheiden.


(PS: die LED ist später nach Inbetriebnahme als Lichtquelle in einem umgerüsteten Baustrahler nach nicht mal 20 Betriebsstunden erloschen. War wohl etwas zuviel mit den Grenzwerten)

Aktualisiert am 12.10.13 :this:
Signatur von »Holger«
Wer ruhig leben will, der darf
nicht alles sagen, was er weiß und
nicht alles glauben, was er hört.
(aus China)

Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von »Holger« (12. Oktober 2013, 20:16)