LED schaltplan -----> HILFE!!!

@ 1000V

Aber sicher kann man LEDs in Reihe schalten,

wobei natürlich trotzdem ein Widerstand zur Stromeinprägung eingebaut wird.

... und wer ein richtiger "Erbsenzähler" ist,
der bestimmt den Widerstand anhand der Kennlinien auf graphische Art und Weise. :lol:

Greetz
Patois

 

... ohne Worte ...

.

 

LED-Bauform

.
Was vielleicht auch noch wichtig wäre:

die Bauform und Anschluß-Belegung einer LED

 

Da sind 2 faule Nüsse dabei ...



Beim Ausrechnen der Vorwiderstände wird man feststellen, dass man bei bestimmten Farben bei einer Batteriespannung von 12 Volt für 4 in Reihe geschaltete Leds bereits Probleme bekommt.

Bitte auch die unterschiedlichen Nennströme der Leds beachten!

Ferner sollte man sich angewöhnen immer die in den Widerständen entstehende Verlustleistung zu berechnen, damit man die passenden Typen (Bauart) entsprechend der Watt-Zahl auswählen kann.

 

... Sonderfälle ...

.


Was fällt hier bei diesen Schaltskizzen auf?

Wer sich LED-Experte nennen will, muss die
Vor- und Nachteile der drei Schaltungen,
bzw. deren "Besonderheiten" erkennen und erklären können.

Und noch eine Zusatzfrage:
Was passiert, wenn man eine LED mit Nennstrom 10mA
und eine LED mit Nennstrom 30mA in Reihe schaltet,
hinter einem gemeinsamen Widerstand?
.

 

Ich wollte kein Erbsenzähler sein sondern nur auf das hinweißen was auch passieren kann. Desweiteren wollte ich meine Ansicht zu in Reihe geschalteten LED wiedergeben. Sollte nicht so aussehen als das ich den Finger schwenke und laut Nein Nein Nein rufe.

LG

 

Es ist so, dass absolut nichts gegen die Reihenschaltung von LEDs spricht und keinesfalls einzelne LEDs eines Strangs Schaden nehmen.

Wesentlich für das Überleben der LEDs eines Strangs ist lediglich der darin fließende Strom IF. Bei Standard-LEDs beträgt dieser ca. 20mA - 30mA.
Da die LEDs aber in Reihe geschaltet sind, fließt zwangsläufig auch in jeder LED des Strangs derselbe Strom.

Dieser nominale Strom wird bei gegebener Versorgungsspannung im einfachsten Fall durch einen entsprechenden Vorwiderstand erreicht.

Das Problem ist, dass die Flussspannung UF nicht nur stark typabhängig ist, sondern auch extremen Exemplarstreuungen unterworfen ist. Dazu kommt noch, dass die Flussspannung temperaturabhängig ist.

Selbst bei baugleichen LEDs kann es beim tatsächlichen UF durchaus Differenzen von 0,5V zwischen den einzelnen LEDs geben!

Bei z.B. einer Versorgungsspannung von 12V und einer Flussspannung einer einzelnen LED von nominal 2V würde eine Abweichung auf z.B. 2,5V bei einem für die nominalen UF=2V berechneten Vorwiderstand in der Praxis nicht weiter auffallen.

Das Problem verschärft sich aber extrem, je näher die Gesamtflussspannung an (die momentan noch als konstant angenommene) Versorgungsspannung herankommt.
Hier können Exemplarstreuungen bei für Nominalwerte berechnete Vorwiderstände tatsächlich massive Auswirkungen auf IF und damit die Leuchtkraft haben.
Allerdings ist in diesem Strang von in Serie geschalteten LEDs nicht nur eine LED betroffen, sondern alle gleichermaßen!

Noch schlimmer wird es, wenn die Versorgungsspannung nicht stabil ist und (z.B. bei einer Autobatterie) zwischen 10V und 14V liegen kann.

<b>Ein Beispiel:</b>

Wir wollen drei blaue LEDs in einem Strang bei 20mA betreiben.
Das UF jeder LED betrage 3,65V.
Die nominale Versorgungsspannung U0 betrage 12V.

Im Strang fallen somit 3*3,65V=10,95V ab. Zur Versorgungsspannung besteht also noch eine Differenz von 1,05V. Der Strom soll 20mA betragen und nach R=U/I ergibt sich für den Vorwiderstand der Wert 52,5 Ohm.

Wenn wir nun annehmen, dass unser U0 auf 10V gefallen ist, dann liegt diese Spannung unter der Flussspannung des Strangs und die LEDs dürften gar nicht mehr leuchten.
Das ist nicht ganz die Wahrheit, denn hier kommt zum Tragen, dass eine LED eben keine ideale Diode ist und die Kennlinie eben nicht linear ist. Deshalb wird eben doch ein Strom fließen (ca. 5-6mA) und die LEDs leuchten schwach.

Nehmen wir nun an, der Akku sei frisch geladen und liefere ein U0 von 14V. Dann liegen zwischen der Flussspannung (Strang) 10,95V und der Versorgungsspannung 3,05 Volt. Der Vorwiderstand wurde aber mit 52,5 Ohm festgelegt und im Strang fließen 58,1 mA - Ein gefährlich hoher Wert!
Die Wahrheit sieht schon wieder anders aus, in Wirklichkeit sind es nur etwa 40mA - Ja, die Kennlinie ist schuld. Es ist trotzdem ein unzulässig hoher Wert.

Das sind absolut keine Idealvoraussetzungen für eine unempfindliche Schaltung!

Bei z.B. roten LEDs, einer nominalen 12V Versorgung und einem 470 Ohm Widerstand pro LED kann aber nichts passieren. Der Nachteil dieser Schaltung ist, dass sie eine unnötig hohe Stromaufnahme hat und das ist besonders unangenehm, wenn die Schaltung aus einem Akku versorgt wird.

Die Reihen- bzw. Serienschaltung der LEDs kann die Stromaufnahme der Schaltung drastisch reduzieren und das ist auch hier das Mittel der Wahl.

Tatsächlich ist es so, dass es unklug wäre bei einer 12V Versorgung und roten Standard-LEDs mehr als vier LEDs in Reihe zu schalten. Nehmen wir mal ungünstüge Exemplarstreuungen an und jede LED habe ein UF von 2,5V, dann bleiben gerade noch 2V "Luft" zur Versorgungsspannung.
Das ist eng, verdammt eng - Selbst geringe Änderungen der Versorgungsspannung würden sich hier (bei Verwendung eines reinen Vorwiderstands) deutlich bemerkbar machen!

In solchen Anwendungen sollte man es deshalb vorziehen, jedem der Stränge eine eigene Konstantstromquelle zu gönnen. Damit ist man weitgehend unabhängig von Exemplarstreuungen und Spannungsschwankungen.

Diese Stromquellen müssen nicht hochpräzise sein. Einfache Stromquellen lassen sich aus z.B. zwei billigen Standardtransistoren und zwei Widerständen aufbauen. Wenn viele Stränge vorhanden sind (und damit ebenso viele Stromquellen nötig sind), dann kann die Regelung der Emitterspannung für kleine Gruppen auch einem einzigen Transistor aufgebürdet werden.
Bei n Strängen einer Gruppe gilt dann allgemein, dass man (n+1) Transistoren und (n+1) Widerstände braucht.

Bei gerade mal 20 LEDs ist der Aufwand absolut harmlos, billig und braucht (im Vergleich zu dem LED-Feld) wenig Platz.

 

Diese gut fundierte und ausführliche Beschreibung der Probleme, die bei Anwendungen von LEDs auftreten können, ist sehr zu begrüßen.

Leider ist die Wortwahl "zwei Standardtransistoren" nicht ganz eindeutig.

Unabhängig davon möchte ich die werten Leser darauf aufmerksam machen, dass bei den niedrigen Strömen (20...30mA), von denen wir hier sprechen, sich die Strombegrenzung mit einem billigen Feldtransistor verwirklichen läßt.

Etwas OFF-TOPIC, aber deshalb nicht weniger interessant, ist der Einsatz eines Stromspiegels in Fällen,
wo nur ein niedriger Spannungspegel, wie die häufig anzutreffenden 5 Volt aus der IC-Technik, zur Verfügung steht.

Greetz
Patois

 

Das mag sein, aber ich konkretisiere das gerne. Gemeint sind damit bipolare Kleinleistungstransistoren.

Das ist grundsätzlich richtig und wenn es auf den genauen Wert des konstanten Stroms nicht genau ankommt, dann kann man eine Konstantstromquelle auch aus nur einem billigen JFET (z.B. BF245C) bilden.
Die Regulierung des Stroms erfolgt dort über den Abschnürungseffekt.
Allerdings sind bei JFETs die Fertigungstoleranzen so hoch, dass UGS einstellbar gemacht werden muss um den gewünschten Strom zu erreichen und der ist bei LEDs eben nicht unwichtig. Ein dazu nötiger Trimmer ist leider entsprechend groß und die Selektion eines geeigneten Einzelexemplars zu aufwendig.

Die bipolare Variante ist da weit gutmütiger, kann fast exakt berechnet werden und benötigt keinen Abgleich.

Auch das ist richtig und man setzt diese Methode dann gerne ein, wenn eine Regelung auch noch ganz dicht an den Grenzen der Versorgungsspannung erforderlich ist.
Da ein Stromspiegel allerdings Zusatzaufwand bedeutet, verzichtet man immer darauf, wenn der Einsatz nicht unbedingt nötig ist.
Ein Problem bei diskret aufgebauten Stromspiegeln ist auch, dass sich auch hier Exemplarstreuungen extrem auswirken und man deswegen doch wieder Emitterwiderstände braucht, welche Toleranzen der Bauteile ausbügeln. Damit verliert man aber auch wieder ein ganz klein wenig der gewonnenen Differenz zur Versorgung.

Hier eine einfache bipolare Variante. Statt der hier gezeigten PNPs kann selbstverständlich auch eine NPN-Variante aufgebaut werden. Auf den genauen Transistortyp kommt es hier nicht an, nur sollten alle Transistoren baugleich sein und eine hohe Stromverstärkung haben.

Die untere Grenze der Versorgungsspannung ergibt sich aus der Gesamtflussspannung des längsten Strangs, die obere Grenze für die Versorgungsspannung ergibt sich aus der Verlustleistung des Transistors im kürzesten Strang.

Auf ein Problem möchte ich aber noch hinweisen, weder die LEDs noch die Transistoren vertragen hohe Sperrspannungen. Die Schaltung ist daher gegen ein verpoltes Anschließen sehr empfindlich und ab einer Versorgungsspannung von etwa 5V sollte man (zumindest bei nicht fest eingebauten Geräten) einen Verpolungsschutz vorsehen.



Vielleicht noch zwei Anmerkungen:

Bei der hier gezeigten Schaltung kommt es nicht darauf an, wie viele LEDs sich im Strang befinden, der Strangstrom wird immer auf etwa 20mA begrenzt.
Allerdings sollte man versuchen (anders als hier gezeigt) die Stränge möglichst vollständig zu besetzen, damit die Verlustleistung im zuständigen Transistor geringer wird.
Damit sollte nur gezeigt werden, dass eine "Unterbesetzung" eines Strangs nicht wirklich etwas ausmacht.

Mit dem ursprünglichen Ansatz mit den einzelnen Vorwiderständen würde diese Schaltung etwa 200 mA ziehen, mit diesem Ansatz (mit 10 leicht krank angeordneten LEDs) verbraucht sie aber nur etwa 85mA.

Noch deutlicher wird das bei den im ursprünglichen Projekt genannten 20 LEDs.
Im ersten Ansatz mit den einfachen Vorwiderständen würde die 400mA ziehen.
Würde man den hier gezeigten Ansatz wählen (bei 5 Strängen a 4 LEDs), dann wären es nur etwa 105mA!!!
Das sind bei Akkubetrieb doch durchaus Unterschiede!

Und zurück zur ursprünglichen Frage:

Was verstehst Du darunter, einen Schaltplan oder gar ein Layout?

Was für eine Platte? z.B. irgend ne Alu/Plastik/Sonstwasplatte mit willkürlich angeordneten Bohrungen (und frei fliegender Verdrahtung) oder ne Platine?
Um ne kleine Platine kommst Du eh kaum rum, wenn das hinterher funktionieren soll. Ob Du dann die LEDs hinterher über frei fliegende Strippen anfährst ist deine Sache.

Nett und kannst Du nehmen, wenn Du nen Stromfresser bauen willst.

 

Hallo vaneesh,

nun können wir nur hoffen, dass der Fragesteller dir für dein Engagement dankbar ist.

Er kann, falls er "kann", deinen Plan erweitern auf 5 Stränge mit jeweils 4 LEDs.

Außerdem könnte er die von dir empfohlene Diode zum Verpolungsschutz hinzufügen.

Wäre dann "nur" noch das Layout zu klären ... :wink:

Greetz
Patois

 

Und weil mir grad langweilig war ...

hab ich ein SPICE-Modell für rote Standard-LEDs erstellt und die Schaltung etwas verbessert.

Die genauen Kenndaten der LEDs sind natürlich etwas aus der Luft gegriffen, allerdings sollte das so ziemlich der Realität bei roten Feld-, Wald- und Wiesen-LEDs entsprechen.

Die Idee von Patois mit dem JFET als Konstantstromquelle hab ich auch aufgenommen und zwar an einer Stelle, wo es auf den genauen Wert nicht ankommt - Hauptsache stabil!
Dort kann man den brauchen - Nämlich zur Erzeugung des Basisstroms für die Treiberstufen.
Die PNP-Konstantstromquellen regeln nämlich dann wesentlich besser aus.

Na ja, im Grund ist 's eher von theoretischem Interesse und der Fragesteller scheint ja eh schon die Lust verloren zu haben - Aber was soll 's?
Vielleicht kann man 's noch brauchen?!?



Und hier das Ergebnis, was SPICE dazu sagt:



Als Versorgung habe ich hier eine Rampe genommen, die bei 0V beginnt, bei 16V endet und linear mit 1V/s steigt - Die Graphen entsprechen also dem Versorgungsspannungsbereich 0V - 16V.

Man sieht hier auch (an Id(J2)) sehr schön, dass der BF245B erst ab etwa 3V in den für uns interessanten Abschnürungsbereich kommt. Das macht hier aber nichts.

Hier wurde gegenüber der ersten Schaltung nur der Widerstand R1 durch den JFET ersetzt und man erreicht dadurch eine deutlich bessere Regelung.

Das ist dann wohl kein Vergleich mehr zum katastrophalen Ergebnis, das man mit nur einem Vorwiderstand pro Strang erreichen würde.

Na ja, vielleicht interessiert's ja jemand oder man kann es noch brauchen ...

Immerhin nur etwa 112mA Verbrauch gegenüber den 400mA vom ersten Ansatz und eine weitgehende Unempfindlichkeit gegen Versorgungsspannungen über dem Nominalwert von 12V.

 

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Danke für diese hochinteressante Schaltung. :wink:

Greetz
Patois

 

Na ja, es ginge noch einfacher und billiger - Aber irgendwann sparen wir uns den Wolf an den Ar... - Äh - Das Gesäß ;-)

Und noch krasser kann man es immer machen, aber das lohnt sich erst bei sehr viel mehr Strängen.
Es ist aber trotzdem so, man kann aus Kuhsch...e keine Butter quirlen.

Tja, vereinfachen so lang man kann, aber nix praktisch Relevantes aufgeben - Kollateralschäden bleiben immer - Da beginnt die Kunst!
Da hat mir deine Idee des JFETs als Lieferant für die Basisströme doch schon sehr viel weitergeholfen.

Still hearing: <a href="http://youtu.be/XKjomJr_Llc" target="sand">http://youtu.be/XKjomJr_Llc</a>
Iss einfach total gut- Auch wenn es die RWE grad als Werbung verwendet!

Und zum wieder "normal" werden das: <a href="http://youtu.be/HmYOD6t8rK8" target="Jagger/Kravitz">http://youtu.be/HmYOD6t8rK8</a> ;-)

 

stark OFF-TOPIC

Hallo vaneesh, ist das SANSKRIT ?

Ciao
Patois

 

Ja - Nur blöderweise kann ich 's nicht lesen ;-)

Und dem nächsten Diodenfreak hau ich die Shockley-Gleichung, Sperrstrom und Rekombinationsstrom um die Ohren :lol: