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Hier wird ein universeller
Konstantstromregler für LED-Reihen und seine Dimensionierung gezeigt.
Nehmen wir an, wir wollten eine einzelne LED mit einem Strom von 20 mA
antreiben. Nehmen wir ferner an, die LED habe bei diesem Strom eine Spannung
von 2,1 Volt. Das ist für gelbe 20-mA-LEDs typisch, andere Farben
können zwischen 1,9 und 2,4 Volt haben. Die Schaltung dafür
sieht so aus:
Um den Strom durch die LED zu begrenzen, wird ein Widerstand R vor die LED
geschaltet. Die Größe dieses Widerstands bestimmt darüber,
wie hoch der Strom werden wird. Er fängt die übrige Spannung auf,
die zwischen der Betriebsspannung U der Schaltung und der Durchlassspannung
der LED ULEDliegt (in diesem Fall (U - 2,1) Volt).
Nach dem Gesetz von Herrn Ohm teilen wir diese Spannung durch den LED-Strom
(in Ampere) und erhalten die nötigen Ohm des Widerstands (Ω). Bei
einer Betriebsspannung von z. B. 9 V kriegen wir da heraus:
R = (9 - 2,1) / 0,02 = 345 Ω.
Mit diesem Widerstand sollte sich ziemlich genau ein Strom von 20 mA
durch die LED einstellen.
Unglücklicherweise gibt es 345-Ohm-Widerstände nicht zu kaufen.
Überall zu kaufen gibt es solche aus der sogenannten E12-Reihe. E12
bedeutet, dass es zwischen 100 und 1.000 Ω zwölf Einzelwerte
gibt, nämlich 100, 120, 150, 180, 220, 270, 330, 390, 470, 560, 680 und
820 Ω. Unser benötigter Wert von 345 Ω kommt dem
330 Ω-Wert am nächsten, also würden wir den wählen.
Unser Strom durch die LED beläuft sich dann auf
I = (9 - 2,1) / 330 =
0,0209 A oder 20,9 mA,eine Abweichung, die die LED leicht und ohne
spürbare Verringerung ihrer Lebensdauer verschmerzt.
Für notorische Genauigkeitsfanatiker käme auch in Frage, einen
15 Ω-Widerstand mit einem 330 Ω-Widerstand in Reihe
(hintereinander) zu schalten, das gäbe genau 345 Ω. Aber
Obacht, Genauigkeitsfanatiker! Die käuflichen Kohleschichtwiderstände
haben werksseitig eine Genauigkeit von 5%, der 330 Ω kann also
real irgendeinen Wert zwischen 314 bis 347 Ω haben. Was der
Genauigkeitsfanatik einen üblen Abbruch tut. Aber der LED
und ihrer subjektiven Helligkeit ist das ohnehin völlig egal, der
Genauigkeitsunterschied bleibt unsichtbar.
Für die Auswahl von Widerständen aus allen E-Reihen gibt es
dieses Tool hier, das
entsprechende nächstgelegene Werte findet.
Der Widerstand verbrät die überschüssige Spannung, indem er
Wärme produziert, die er über seine Anschlussdrähte und seine
Oberfläche an die Umgebung abgibt. Unterschiedliche Bauformen von
Widerständen vertragen daher unterschiedliche Wärmeleistungen.
Das reicht von 0,25 Watt eines üblichen Kohleschichtwiderstands
über 0,5 und 1 Watt (größere Körper) über 2 bis
5 Watt, die dann aus Keramik gebaut sind. Zu kaufen gibt es aber auch
Monster, die 20 Watt können.
Generell hilft es immens, Widerstände nicht mit ihrer maximal
zulässigen Last dauerhaft zu betreiben, sondern nur mit der halben
Leistung oder weniger.
Die Wärmeleistung ergibt sich aus der Gleichung P(W) = U(V) * I(A).
Die Leistung des Widerstands in unserem Beispielfall also als
P = (9 - 2,1) * 0,02 = 0,138 Watt. Ein normaler Kohleschichtwiderstand
mit 0,25 Watt würde also gerade noch ausreichen, aber bei 12 oder
mehr V Betriebsspannung nicht mehr.
Bei größeren LED kann der Strom bis zu 100 mA sein. Dabei
liegt auch die LED-Spannung höher. Bei einer käuflichen LED sind
das dann z. B. 3,5 V. Der Vorwiderstand ist dann
R = (9 - 3,5) / 0,1 = 55 Ω.
Dann würde man einen 56 Ω wählen, der bis 1 Watt
ab kann.
Es spricht nichts dagegen, aber vieles dafür mit dem gleichen Strom
durch eine LED auch noch weitere LED anzutreiben. Die LED werden dann in
Reihe (hintereinander) geschaltet. Das sieht dann so aus:
Nun addieren sich die beiden LED-Spannungen von je 2,1 V, bei der
Berechnung des Widerstands kommt nun ein niedrigerer Spannungsabfall am
Widerstand zur Anwendung. Würde unsere Betriebsspannung nur 5 V
betragen, blieben an dem Widerstand nur noch 0,8 V hängen, was
nicht sehr üppig wäre, aber gerade noch ginge. Der Strom durch
die LED wäre dann von Schwankungen der Betriebsspannung (z. B.
4,5 bis 5,5 V) oder von Exemplarstreuungen der Durchlassspannung der
LEDs sehr abhängig, was unter ungünstigen Umständen das
Lebenslicht der LEDs auslöschen kann. Die Transistorschaltung (siehe
unten) ist da schon sehr viel weniger sensibel und arbeitet mit
unterschiedlichen Betriebsspannungen sehr viel stabiler.
Natürlich kann man auch drei und mehr LEDs in Reihe schalten, wobei
dann die Betriebsspannung entsprechend höher sein muss (Faustregel:
nLED = (UBetrieb - 1 V) / ULED).
Die Vorwiderstandsmethode hat immense Nachteile wie z. B. die
Abhängigkeit von Betriebs- und LED-Spannungen, größere
Wärmeentwicklung am Widerstand, etc.
Die Aufgabe, einen immer gleich bleibenden Strom durch die LEDs
fließen zu lassen, lassen sich aber auch mit einem Transistor
machen, der solche Aufgaben hervorragend und zuverlässig
erledigt. Die entsprechende Schaltung mit drei LED in Reihe sieht so aus:
In der Schaltung bilden der Widerstand RB und die beiden Kleinleistungsdioden
1N4148 eine Konstantspannungsquelle mit einer Spannung von 1,4 V. Der
Widerstand RB ist recht unkritisch, er darf nur nicht so klein sein, dass
der Strom durch die beiden Dioden ihren zulässigen Durchlassstrom (ca.
0,1 A) und der Basisstrom des Transistors, der sich ohne angeschlossene
LEDs einstellt, den zulässigen maximalen Basisstrom (z. B. 0,1 A
nicht überschreitet. Günstigerweise sollte der Strom durch die beiden
Dioden bei einem mehrfachen des Stroms liegen, der als Basisstrom zum Antrieb
des LED-Stroms benötigt wird. Dieser Basisstrom ist von der Verstärkung
des Transistors (als Beta oder hFE bezeichnet) abhängig:
IB = ILED / hFE.
In der Formel ist der Gesamtstrom durch RB auf das zehnfache des Basisstroms
festgelegt.
Mit der Konstantspannungsquelle von 1,4 V an der Basis des Transistors
stellt sich an dessen Emitter eine konstante Spannung von 0,7 V ein
(Durchlassspannung der Basis-Emitter-Strecke UBE = 0,7 V).
Diese Konstantspannung liegt an dem Emitterwiderstand RE. Bei
einem Strom von IE = 0,7 V / ILEDA
stellt sich der Strom durch die LED fest ein.
Die Konstanz des LED-Stroms ergibt sich aus folgenden zwei Mechanismen.
Sinkt der Strom durch die LEDs ab, dann sinkt die Spannung am Emitterwiderstand
und der Basistrom aus der Konstantspannungsquelle steigt an, weil die Differenz
zwischen Basis- und Emitterspannung (UBE) gröo;ßer wird.
Damit erhöht sich der Basisstrom und in dessen Folge auch der Kollektorstrom
des Transistors, was zu einem Anstieg des LED-Stroms
und, über den Emitterwiderstand, zu einem Anstieg der Emitterspannung
führt. Das geht so lange, bis die Emitterspannung wieder bei 0,7 V
liegt.
Ist der Strom durch die LEDs zu hoch, steigt die Emitterspannung durch den
Emitterwiderstand über 0,7 V an. Dadurch verringert sich der
Basisstrom, weil die Basis-Emitter-Spannung unter 0,7 V absinkt, und
darüber verringert sich auch der Kollektorstrom. Das geht so lange so
weiter, bis die Emitterspannung wieder auf 0,7 V abgesunken ist.
Beide Effekte sorgen immer dafür, dass sich die Emitterspannung immer bei
0,7 V einpendelt, und damit einen konstanten Strom durch die LEDs
verursacht.
Die überschüssige Spannung, die sich aus Betriebsspannung
abzüglich der Spannung an den LEDs und den 0,7 V am Emitterwiderstand
ergibt, liegt bei dieser Schaltung an der Kollektor-Emitter-Strecke des
Transistors (UCE). Der Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke
ist der LED-Strom. Beides zusammen ergibt die Wärmeleistung, mit der
der Transistor belastet wird,
PCE = UCE * ILED.
Im einfachsten Beispiel, mit drei 20 mA-LEDs, einer LED-Durchlassspannung
von 2,1 V und einer Betriebsspannung von 9 V ergibt sich eine
Leistung von PCE = (9 - 3*2,1 - 0,7) * 0,02 =
0,04 Watt. Das kann ein Kleinleistungstransistor vom Typ BC547B locker
ab (bis 0,5 W).
Das links ist so einer mit den entsprechenden Anschlüssen. Dem kann man so 200 bis
300 mW zumuten, ohne dass er zu heiß wird.
Mit zwei LED-Dioden mit einem Strom von 100 mA und einer Durchlassspannung
von 3,5 V ergeben sich
PCE = (9 - 2*3,5 - 0,7) * 0,1 =
0,13 Watt. Das geht auch noch mit einem Kleinleistungstransistor.
Schon bei
einer Betriebsspannung von 12 V wäre ein Kleinleistungstransistor
thermisch überlastet und es muss ein größerer Typ her, wie
z. B. ein BD139 oder ein BD439. Rechts sind solche Brummer abgebildet. Denen
kann man ohne besondere Kühlung so um die 1.000 mW zumuten, mit einem
kleinen angeschraubten Kühlkörper noch viel mehr.
So eine Konstantstromquelle lässt sich übrigens bequem abschalten.
Dazu muss nur mit einem Taster oder Schalter die Konstantspannungsquelle auf
Null Volt geschaltet werden (die beiden Kleinleistungsdioden überbrücken).
Mit dem Schalten des Basistroms von wenigen mA lassen sich ganze LED-Ketten von
mehreren Ampere Stromverbrauch stilllegen. Der Transistor macht es möglich.
Für alle nötigen Berechnungen gibt es das Berechnungstool im
Open-Office-Format oder im
M$-Excel-Format
hier. In grün hinterlegte Felder muss eingetragen werden.
Das hier ist die Berechnung bei einer einzigen kleinen LED mit 20 mA bei
verschiedenen Betriebsspannungen.
Hier drei größere LEDs mit 100 mA. Mit 5 und 9 V Betriebsspannung
funktioniert die Schaltung nicht.
Hier die Berechnung der Konstantstromquelle mit 3 LED bei 20 mA und 9 V.
Das ist ein Beispiel mit 6 LED und 100 mA bei 24 V.
Eine weitere, noch einfachere Schaltung, arbeitet mit einem Feldeffekt-Transistor. Diese Transistoren
stellen direkt und ohne jede weitere Beschaltung eine Konstantstromquelle dar.
Das hier ist die einfache Beschaltung. Der FET wird einfach in die LED-Schaltung eingefügt.
Der Gate- und der Source-Anschluss des FET liegen beide auf Minus. In dieser Schaltung beträgt
der LED-Strom zwischen 6 und 11 mA. Dieser Strom ist unabhängig von der Betriebsspannung.
Ab etwa 3 V funktioniert die Schaltung. Bis maximal 37 V arbeitet sie unter Einhaltung der
maximalen thermischen Leistung, wobei die Drain-Gate-Spannung dieses Typs allerdings nur bis 30 V
spezifiziert ist.
Durch die höhere Spannung können mehrere LEDs hintereinander geschaltet und aus der
gleichen FET-Konstantstromquelle betrieben werden.
Dies ist der FET mit seinen drei Anschlüssen.
Es ist unbedingt darauf zu achten, dass der Typ BF245B verwendet wird. Beim Typ BF245A ist der Strom
zu klein, beim Typ BF245C kann der maximal zulässige LED-Strom überschritten werden.
Die Liste zeigt den LED-Strom von 18 verschiedenen Exemplaren des Typs BF245B. Der Strom der
Einzelexemplare schwankt um den Faktor 2.
Achtung! Nicht näher spezifizierte Typen können durchaus vom Typ C sein, wie sich an einem
Exemplar aus meiner Bastelkiste gezeigt hat.
So kann man den sich ergebenden Strom messen.
Ist der LED-Strom zu groß, wie z. B. beim Typ C, kann dieser mit einem Source-Widerstand
herabgesetzt werden. Der Widerstand sorgt dafür, dass das Gate gegenüber dem
Source-Anschluss eine negative Spannung aufweist, womit der Drain-Strom verringert wird. Je
größer der Widerstand desto geringer stellt sich der Strom ein.
Die Funktionsweise und Schaltungsmöglichkeiten mit zweifarbige LEDs sind
hier näher erläutert.
Um noch mehr Farben darstellen zu können, gibt es RGB-LEDs.
Hier gibt es einige Hinweise, wie man die
benutzen kann.
©2016-2019 by Gerhard Schmidt