Sehr helle LED für Betrieb mit Knopfzelle gesucht

Hier werden Fragen zu LED-Grundlagen beantwortet...

Moderator: T.Hoffmann

Sehr helle LED für Betrieb mit Knopfzelle gesucht

Beitrag am Fr, 14.09.18, 16:59 (0 Bewertungen, 30 Sterne)

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Huhu, ich hoffe, dass ich hier im richtigen Bereich nachfrage.

Ich möchte als Dekoration für eine Gartenparty Flaschen beleuchten. In einem ersten Versuch habe ich (vor allem auch, weil es schnell gehen musste und eher improvisiert war) kaltweiße LED direkt an eine Knopfzelle geklebt (Spannung passt in diesem Fall ja ohne Vorwiderstand) und unter die Flaschen montiert. Für die Zukunft würde ich das gerne im Bereich des Deckels machen, damit die LED in der Flasche bleiben kann und die Batterie draußen.
Da die Flaschen in Zukunft häufiger benutzt werden sollen, möchte ich das schon vernünftig einbauen und (zumindest die LED) sollten auch gerne etwas länger halten. Bedingt durch die Konstruktion und die Anbringung auf Tischen, in Ecken, usw. ohne Stromanschluss in der Nähe kann ich nur (kleine) Batterien benutzen.

Leider war es mit einer LED* zu dunkel, auch anschleifen (für diffuses Licht) und die Verwendung mehrerer LEDs hat da leider nicht geholfen. Die gewünschte Helligkeit habe ich erzielt, als ich die LED mit 6 V (=2 Knopfzellen in Reihe) betrieben habe. Dass ich mit einer zu hohen Spannung die LED zerstöre ist mir bewusst.

Kennt jemand LEDs, die eine ähnlich hohe Leuchtstärke haben (bei Betrieb mit einer Spannung, für die die LED ausgelegt ist), wie das im anhängten Foto bei 6 V?
Oder weiß jemand, wie lange eine LED durchhält, wenn man eine zu hohe Spannung anliegen hat? (Wenn sie z.B. statt 100.000 Stunden nur 50.000 Stunden hält, wäre das für mich okay, wenn es nur 5 oder 50 Stunden sind, würde ich eine andere Lösung bevorzugen).

Vielen Dank schonmal für eure Antworten,

Liebe Grüße
Ayrianira

*Daten zur LED:
• weiß
• Material: GaInN + Phoshor(P)
• Gehäuse: wasserklar
• Durchmesser: 5mm
• Intensität: 25.000mcd
• Öffnungswinkel: ca. 20°
• Farbtemperatur: 6000k
• Betriebsspg.: min. 3V / typ. 3,2V / max. 3,4 V
• Betriebsstrom (typ.): 20-30mA
• Lebensdauer: über 100.000 H
• Löttemperatur: 260° bis 5 Sekunden
Dateianhänge
LED-Experimente.png
gewünschte Helligkeit wie bei 1 LED mit 6 V
Ayrianira
 
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Re: Sehr helle LED für Betrieb mit Knopfzelle gesucht

Beitrag am Fr, 14.09.18, 19:19 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Die gewünschte Helligkeit habe ich erzielt, als ich die LED mit 6 V (=2 Knopfzellen in Reihe) betrieben habe. Dass ich mit einer zu hohen Spannung die LED zerstöre ist mir bewusst.

Die Led wird mit 6V nicht zerstört. Diese Annahme ist falsch.
Batterien haben einen Innenwiderstand, wodurch der Strom begrenzt wird.

Nur als Beispiel:
CR2025 (Ø20 x 2,5mm).
Kapazität: 165mAh.
Innenwiderstand: 15k = 15.000 Ohm.

Bei 3V können nur 3V / 15.000R = 0,0002A = 0,2mA fließen.
Bei 6V (2 Batterien in Reihe = 2x Innenwiderstand in Reihe) können nur 6V / 30.000R = 0,0002A = 0,2mA fließen.

Wird eine Led angeschlossen, fließt ein Strom. Dieser Strom produziert einen Pseudowiderstand*, der mit dem Innenwiderstand der Batterie parallel liegt. Dadurch wird der Gesamtwiderstand der Schaltung geringer und der entnehmbare Strom etwas höher. Und je höher der Strom, desto heller die Led.

* Der Pseudowiderstand der Led ist kein echter Widerstand und abhängig von Spannung + Strom, aber auch von der Betriebstemperatur.

Nur als Beispiel:
Led: 2,8V @ 20mA
Pseudowiderstand: 2,8V / 0,02A = 140 Ohm.

Gesamtwiderstand (Batterie + Led):
1 / (( 1/R1) + (1/R2)) =
1 / (1/15.000R) + (1/140R)) =
1 / (0,000066 + 0,0071) =
1 / 0,007166 = 139,5478 --> gerundet 139,55 Ohm.

Strom durch die Led @ 3V:
3V - 2,8V = 0,2V
0,2V / 139,55R = 0,001433A = 1,433mA.
Da nur ein sehr kleiner Strom fließt, ist die Vorwärtsspannung der Led ebenfalls gering. Der Strom ist letztendlich etwas höher als 1,433mA. Am einfachsten schaut man ins Datenblatt zur Led und liest dort ab, wie hoch die Vorwärtsspannung ungefähr bei 1,433mA sein wird und rechnet mit diesem Wert.

Strom durch die Led @ 6V:
6V - 2,8V = 3,2V
3,2V / 139,55R = 0,0229A = 22,9mA.

Die Leuchtdauer ist abhängig von der Kapazität der Batterie(n)** und der Stromentnahme:
mAh / mA = h
165mAh / 22,9mA = 7,205h (Stunden)***.

** In einer Reihenschaltung summieren sich nur die Spannungen. Die Kapazität ändert sich nicht.
*** Zeit nur ungefähr.
Da die Spannung der Batterie(n) bei laufendem Betrieb absinkt, sinkt auch der Strom durch die Led.
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Re: Sehr helle LED für Betrieb mit Knopfzelle gesucht

Beitrag am Fr, 14.09.18, 23:20 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Schön ausführlicher Beitrag, aber leider völlig falsch. :wink:

Wie kommst Du auf einen Innenwiderstand von 15 kOhm ???? Ich vermute, Du hast die Angaben in einem Datenblatt falsch interpretiert.

Die Kapazität einer CR2025 (ca. 165 mAh) gilt für eine ohmsche Dauerlast von 15 kOhm. Der Innenwiderstand der Batterie liegt natürlich deutlich niedriger. Würde der Innenwiderstand ebenfalls 15 kOhm betragen, würden am Lastwiderstand nur noch 1,5 V anliegen.

Bei Varta findet man im Datenblatt zur CR2025 etwas aussagekräftigere Grafiken:
CR2025.jpg

Innenwiderstand und Ausgangsspannung der Batterie sind sowohl von der Temperatur als auch von der Last abhängig. Ein fester Wert kann daher nicht angegeben werden.
Aus den Grafiken lässt sich aber grob ableiten, dass der Innenwiderstand der CR2025 bei einer Temperatur von 20°C bei einer Last von 15 kOhm bei ca. 800 Ohm und bei einer Last von 1,5 kOhm bei ca. 100 Ohm liegt.
Aus dem Datenblatt geht außerdem hervor, dass die Kapazität der CR2025 von der Last abhängig ist. Je niedriger der Lastwiderstand, desto geringer die Kapazität.

Wird eine Led angeschlossen, fließt ein Strom. Dieser Strom produziert einen Pseudowiderstand*, der mit dem Innenwiderstand der Batterie parallel liegt.

Das ist - gelinde ausgedrückt - eine extrem abenteuerliche Behauptung. :lol:

Wird eine LED direkt an eine CR2025 angeschlossen, ergibt dies selbstverständlich eine Reihenschaltung aus Spannungsquelle, Innenwiderstand der Spannungsquelle und (nichtlinearem) Innenwiderstand der LED.

Eine der effizientesten 5mm-LEDs ist die Nichia NSDW510GS-K1:
https://www.leds.de/nichia-nsdw510gs-k1-5mm-led-28000mcd-5000k-15033.html

Von diesen LEDs hab ich noch ein paar vorrätig, Knopfzellen allerdings nur als CR2032 (Kapazität ca. 240 mAh). Ich hab einfach mal mein Multimeter zwischen Batterie und LED geklemmt und den Strom gemessen.
Unmittelbar nach Anschließen der LED an die (volle) CR2032 fließt ein Strom von ca. 18 mA. Dieser nimmt allerdings sehr schnell ab. Nach etwa einer Minute liegt der Strom bereits bei 16 mA. Im Dauerbetrieb wird sich der Strom wahrscheinlich etwa bei der Hälfte einpendeln, spätestens nach wenigen Stunden dürfte die Batterie allerdings leer sein. Bei einer CR2025 dürften die Werte etwas niedriger liegen.

Bei einer Reihenschaltung aus 2 Batterien fließt zu Beginn ein Strom von ca. 110 mA - das hält keine 5 mm-LED lange aus.

Die Kombination aus LED und Knopfzelle ist für diesen Zweck also keine gute Idee.
ustoni
 
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Re: Sehr helle LED für Betrieb mit Knopfzelle gesucht

Beitrag am Sa, 15.09.18, 00:30 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Achim H hat geschrieben:Wird eine Led angeschlossen, fließt ein Strom. Dieser Strom produziert einen Pseudowiderstand*, der mit dem Innenwiderstand der Batterie parallel liegt.
Das ist - gelinde ausgedrückt - eine extrem abenteuerliche Behauptung.

Hast Du das Sternchen (Fußnote) gesehen und was ich dazu geschrieben habe?

Bei einer Reihenschaltung aus 2 Batterien fließt zu Beginn ein Strom von ca. 110 mA - das hält keine 5 mm-LED lange aus.

Das kann nicht stimmen.
Schau Dir mal diese Taschenlampe an, wird betrieben mit 2 Stück CR2016 in Reihe und ohne zusätzlichem Widerstand. Leuchtdauer laut Produktbeschreibung: ca. 100 Stunden.

Eine CR2016 hat eine Kapazität von ca. 90mAh.
Und jetzt erkläre mir mal, wie die Led ca. 100 Stunden durchhalten soll, wenn anfänglich ein Strom von 110mA fließt und kein Widerstand eingebaut ist.

Oder die Lidl Taschenlampe mit 4 Stück LR41 in Reihe. 4 x 1,5V = 6V.

Aber Du hast recht, meine Rechnung kann auch nicht stimmen.
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Re: Sehr helle LED für Betrieb mit Knopfzelle gesucht

Beitrag am Sa, 15.09.18, 10:28 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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ustoni hat geschrieben:Aus den Grafiken lässt sich aber grob ableiten, dass der Innenwiderstand der CR2025 bei einer Temperatur von 20°C bei einer Last von 15 kOhm bei ca. 800 Ohm und bei einer Last von 1,5 kOhm bei ca. 100 Ohm liegt.
Aus dem Datenblatt geht außerdem hervor, dass die Kapazität der CR2025 von der Last abhängig ist. Je niedriger der Lastwiderstand, desto geringer die Kapazität.


OK, meine Physikkentnisse sind etwas eingerostet, aber ich kann das nicht direkt nachvollziehen. Nichtlineare Quelle und nichtlineare Senke ist keine gute Kombination, zumindest nicht für mich :mrgreen: Und da die Graphen wohl nicht umsonst bei 1k Last aufhören, wird eine Aussage für niederohmigere Lasten wohl noch spekulativer.

Aber ohne, wird es wohl auf Testaufbau und Messen hinauslaufen. Dazu kommt: ich bin mir nicht sicher, ob diverse CR2025 von verschiedenen Herstellern, trotz gleicher Kapazität, denselben Innenwiderstand haben.

Oder weiß jemand, wie lange eine LED durchhält, wenn man eine zu hohe Spannung anliegen hat? (Wenn sie z.B. statt 100.000 Stunden nur 50.000 Stunden hält, wäre das für mich okay, wenn es nur 5 oder 50 Stunden sind, würde ich eine andere Lösung bevorzugen).


"Durchhalten" ist in dem Fall nicht der richtige Terminus: Vereinfacht altern LEDs bei Überlastung primär einfach schneller, d.h. nach nur 10% (oder 50%) der Nennlebenszeit hast du nur noch 70% (oder 50%) Lichtausbeute. Vorab: Nagelt mich nicht auf die exakten genormten Werte fest, um die geht es hier imho nicht.
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Re: Sehr helle LED für Betrieb mit Knopfzelle gesucht

Beitrag am Sa, 15.09.18, 10:38 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Hast Du das Sternchen (Fußnote) gesehen und was ich dazu geschrieben habe?

Ja, natürlich. Das ändert aber nichts an der Tatsache, dass der Innenwiderstand der Spannungsquelle immer in Reihe zur Last geschaltet ist, völlig egal um welche Art von Last es sich handelt.

Das kann nicht stimmen.
Schau Dir mal diese Taschenlampe an, wird betrieben mit 2 Stück CR2016 in Reihe und ohne zusätzlichem Widerstand. Leuchtdauer laut Produktbeschreibung: ca. 100 Stunden.

Eine CR2016 hat eine Kapazität von ca. 90mAh.
Und jetzt erkläre mir mal, wie die Led ca. 100 Stunden durchhalten soll, wenn anfänglich ein Strom von 110mA fließt und kein Widerstand eingebaut ist.


Doch, das stimmt. Du darfst mir eine korrekte Strommessung in einem einfachen Stromkreis durchaus zutrauen. :lol:
Der Unterschied erklärt sich zunächst mal aus den unterschiedlichen Innenwiderständen der CR2016 und der CR2032. Wenn ich obige Nichia-LED mit 2 Batterien vom Typ CR2016 betreibe, liegt der Strom beim Einschalten bei knapp 20 mA (geht allerdings sehr schnell runter).

Andere Messung: ich habe bei beiden Typen mal den Kurzschlussstrom gemessen. Bei einer CR2032 liegt er bei ca. 180 mA, bei einer CR2016 bei ca. 60 mA (beide Werte natürlich nur sehr kurz). Der Innenwiderstand einer CR2016 ist folglich wesentlich größer als der einer CR2032.

Die Produktbeschreibung der von Dir verlinkten Taschenlampe ist völlig irreführend und widerspricht allen physikalischen Gesetzen. Das ist eine Produktbeschreibung in bester ebay-China-Manier. Das Produkt ist von Anfang 2011, da hat Lumitronix wohl noch die eine oder andere Leiche im Keller.
Um bei einer Kapazität von 90 mAh eine Betriebsdauer von 100 Stunden zu erreichen, darf der durchschnittliche Strom nur 0,9 mA betragen.
Das entspricht einer LED-Leistung von ca. 2,7 mW.
Laut Produktseite beträgt der Lichtstrom dabei 5 Lumen. Das wäre dann eine Effizienz von 5 lm / 2,7 mW = 1850 lm/ W.
Das entspricht einem elektrischen Wirkungsgrad von ca. 500%. :lol: Fällt Dir was auf? :wink:

Bei meinem Beitrag zur Lidl Taschenlampe habe ich übrigens auch geschrieben, dass eine Betriebsdauer von ca. 1 Stunde zu erwarten ist. Bei solchen Gerätchen ist das auch völlig ausreichend, da sie ja normalerweise immer nur für wenige Sekunden in Betrieb sind.

Ich habe die LED nochmal an eine CR2032 angeschlossen und den Stromverlauf im Betrieb verfolgt. Ergebnis:

Einschaltmoment: 18 mA
5 Minuten: 11 mA
15 Minuten: 8,4 mA
30 Minuten: 7,2 mA
60 Minuten: 6,0 mA
90 Minuten: 5,2 mA

Für den vom Threadstarter angestrebten Zweck sind Knopfzellen also schlicht und einfach nicht geeignet.

Nachtrag:
Nach 10 Stunden Betrieb fließt noch ein Strom von 3,7 mA. Bei der verlinkten Nichia-LED entspricht das in etwa einem Lichtstrom von 1,3 Lumen.
ustoni
 
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Re: Sehr helle LED für Betrieb mit Knopfzelle gesucht

Beitrag am Sa, 15.09.18, 20:22 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Wie wäre es mit einem Prema PR4402?
Benötigt wird noch eine Festinduktivität.

Link zum Produkt bei Reichelt: https://www.reichelt.de/led-treiber-sot ... 78447.html
Datenblatt: PR4402.

Oder mit einem
Link zu Wikpedia: Joule thief
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Achim H
 
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Re: Sehr helle LED für Betrieb mit Knopfzelle gesucht

Beitrag am So, 16.09.18, 09:55 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Vielen Dank für eure ausführlichen Antworten. Ich werde mich mal einlesen, ob ich mit den letztgenannten Bauteilen weiter komme.

Wenn Knopfzellen für den Betrieb von LED hierfür ungeeignet sind, hättest du einen Vorschlag für eine andere Stromquelle?
Ayrianira
 
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Re: Sehr helle LED für Betrieb mit Knopfzelle gesucht

Beitrag am So, 16.09.18, 10:08 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Dazu müsste man wissen, wie die LEDs angeordnet werden sollen.

Grundsätzlich hat Achims Vorschlag schon mal den Vorteil, dass man unabhängig vom Ladezustand der Batterie immer die gleiche Helligkeit der LEDs hat.

Aus wirtschaftlicher Sicht wäre ein zentrales Netzteil die optimale Lösung.

Ist das aufgrund fehlender Netzspannung nicht möglich, wäre eine gute Lösung auch eine Power Bank als zentrale Stromversorgung denkbar:
https://www.amazon.de/powerbank/s?ie=UTF8&page=1&rh=i%3Aaps%2Ck%3Apowerbank

Ansonsten, wenn eine Zentrale Lösung nicht möglich ist: eine AA-Batterie.

Fürs Netzteil reicht ein Vorwiderstand zur Strombegrenzung, für Power Bank und AA-Batterie ist das von Achim verlinkte IC ideal.
ustoni
 
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