High Power IR-LED mit Knopfzellenversorgung

[Dill]

Hallo liebe Leute,

Ich habe folgende Problematik, die ich gerne möglichst optimal lösen möchte. Mir fehlt jedoch die ausreichende Kenntnis über die Funktionsweise von LEDs.

Ich möchte möglichst kleine IR LED Einheiten bauen, die Mobil am Körper getragen werden können ohne übermäßig auf zu fallen. Also möglichst ohne große Kühlung aus kommen und dennoch möglichst hell bei möglichst großem Abstrahlwinkel sind. Denn diese sollen als Trackingpoints für ein IR Kamerasystem dienen.

Im Anhang habe ich mal einen ersten Prototyp angehängt. Verwendet wurden diese LEDs: http://de.rs-online.com/web/p/led-ir/6548558/.
Versorgt direkt und ohne weitere Bauteile von einer LR9 Knopfzelle mit 1.5V. Das Setup ist aber leider nicht hell genug.
Nachdem ich mich nun ein wenig eingelesen habe in die Materie, musste ich feststellen, dass die Kombination Stromquelle - LED doch noch weit komplexer ist als Spannung Glühbirne , als befürchtet und bin nun unsicher, ob ich bei dem Vorhandenen überhaupt schon das Maximum raus geholt habe, bzw. bei einer stärkeren LED andere Schwierigkeiten auftauchen.

Nun zu der Frage: Welche Kombination von IR LED und Knopfzelle würdet ihr empfehlen. Und haltet ihr einen Vorwiederstand oder weitere Bauteile für erforderlich um Sicherheit und möglichst optimale Leistung zu gewährleisten und welche wären das.

Die LEDs sollten IR mit Peak im Bereich 850nm oder 950nm emittieren und einen Abstrahlwinkel von min. 90° haben.

Meine Information von zwei unabhängigen LED Fachleuten ist, dass LEDs mit bis zu ca. 300mW/sr problemlos ohne Kühlung betrieben werden können. Wie ist da eure Erfahrung?

Eine IR-LED mit geeigneten Werten und einfacher Bauweise wäre (nach meinem jetzigen Wissensstand) zum Beispiel diese:
http://de.rs-online.com/web/p/led-ir/77 ... -_-7781447

Wie würdet ihr diese (oder auch eine andere mit möglicherweise geeigneteren Werten) einzeln oder auch mit 2 oder sogar 4, als ‚Miniarray‘, unter den oben genannten Bedingungen verbauen.

Vielen Dank schon jetzt für eure Anregungen

[luckylu1]

erst einmal, willkommen im forum!

erst einmal ein paar grundsätzliche betrachtungen zum besseren verständnis.
folgendes mußt du in deine betrachtungen einbeziehen:
für batterien gilt, es gibt keine gleichen ! nimm 100 stück, sie werden, selbst aus der gleichen charge alle geringfügig voneinander abweichen! das bedeutet im einzelnen, die anfangsspannung ist verschieden, der spannungsgang der belasteten zelle ebenso und auch die kapazität (mA/h) sind verschieden. die vom hersteller angegebenen werte beziehen sich auf das minimum bis zum ablaufdatum. die realen werte bewegen sich in einem toleranzbereich (für jeden dieser werte),darauf komme ich noch zurück.

für leds und andere bauelemente gilt sinngemäß das gleiche. da die streuungen(bei der herstellung) sehr groß sind werden diese bauelemente ausgemessen und anschließend in gruppen eingeteilt. dort gibt es widerum in jeder gruppe untere und obere grenzwerte. ohne sehr auf einzelheiten einzugehen, bedeutet das zum beispiel, das bei einer led bei einer angelegten spannung von konstant 1,5 V (für jede farbe und material sind die spannungen an den leds verschieden, sieh dir einfach mal ein paar datenblätter, mit den kurven an)zb. 200mA fließen, was in diesem fall schon den zulässgen dauerstrom deiner 1. beispiel led schon um 100% übersteigen würde, bei einer 2. led der gleichen charge läge dieser wert eventuell schon bei 300mA und bei einer dritten eventuell bei 150mA. dadurch wären die entsprechenden verlustleistungen bei led1 1,5Vx200mA=300mW, led2 1,5Vx300mA=450mW und led3 1,5V x150mA=225mW. im datenblatt ist eine zulässige dauerverlustleistung von 160mW angegeben. die lichtabstrahlungsenergie wird mit 14mw bei 100mA/20ms angegeben, diesen wert könntest du von der verlustleistung abziehen(das sind alles nur statische vereinfachungswerte, real ist das noch etwas komplizierter^^), würde aber an der grundsache nichts ändern. daher die weitere betrachtung über die wärme und deren auswirkung. der wärmeübergangswiderstand zur umgebenden luft(unter den, im datenblatt angegebenen bedingungen) beträgt 450K/W(K =kelvin,grad) oder anders 0,45K/mW , das bedeutet für led1 0,45Kx300mW= 135K temperaturerhöhung +
20°C)raumtemperatur=155°C, überschreitung der zulässigen temperatur um 55K, die led stirbt nach ca. 5 bis 15min,led2
0,45x450=202,5K temperaturerhöhung+20grad raumtemperatur 222,5°C überschreitung der max temp von 122K, die led stirbt innerhalb von wenigen sekunden. led3 "lebt" noch am längsten 0,45x225=101,25K über 20K der max temp. das ist eine statische betrachtung, in der realität muß noch der negative temp koeffizient der leds berücksichtigt werden, der beträgt -0,55%/K für den strom, das bedeutet mit zunehmender temp. steigt der strom noch stark an !!!
nun höre ich schon das argument, aber meine leds leuchten doch noch(noch) obwohl sie nach dieser darstellung kaputt sein müßten! also irgend etwas stimmt nicht an dieser betrachtung, warum? nun, wir haben mit einer konstanten spannung gerechnet, die wir so nicht haben! dazu muß man sich das datenblatt der batterie ansehen, so eine kleine batterie wäre nach 1h, bei led1 leer, was so nicht stimmt, da die spannung relativ schnell geringer wird und somit der strom sinkt, auch könnte es sein, daß die batterie im anfangsmoment nicht einmal die 200mA liefern kann. trotz allem könnte sie aber einige wenige minuten, in der led einen strom fließen lassen, der den zulässigen überschreitet und die led schädigt, damit wird der wirkungsgrad der led und deren lebensdauer herrabgesetzt.
fazit, so geht es nicht.
weitere betrachtungen dazu:
die vorgeschlagene led ist aus mehreren gründen wenig bis ungeeignet,1. sie besitzt nur einen abstrahlwinkel von 60°, gefordert waren 90°,2. der wirkungsgrad ist schlecht, was zum teil auf die wellenlänge (950nm) zurückzuführen ist.
grundsätzlich gilt bei den heutigen led materialien, je länger die wellenlänge desto schlechter der wirkungsgrad. daher sollte man auf die niedrigste, gerade noch vertretbare und beschaffbare wellenlänge orientieren. für den abstrahlwinkel gilt grundsätzlich, je kleiner der winkel desto höher die intensität, im shop gibt es dazu einen rechner im infobereich, auf der seite ganz unten, da dort nur mit sichtbarem licht gerechnet wird, scheint das erst einmal verwirrend aber mit dem lux rechner kann man die verhältnisse der helligkeit zum abstrahlwinkel bestimmen und bekommt so einen eindruck dazu, wie
die strahlungsleistung im verhältnis zur entfernung abnimmt!

lösungsansatz: verwendung mehrerer leds zb 4 x 60°, mit bestmöglichem wirkungsgrad zb. 840nm und vergleichen der herstellerangaben in einem immer gleichen arbeitspunkt(leistung W oder mW) dabei die abgestrahlte leistung in diesem arbeitspunkt vergleichen. dazu müssen die kurven in den datenblättern GENAU verglichen werden, da die darstellungen
in den kurvendiagrammen oftmals verschieden sind(linear,logarithmisch, doppeltlogarithmisch etc) die leds auf der befestigungsunterlage etwas neigen, damit sich die ausgeleuchteten bereiche nur gering überlappen und der maximalwinkel erreicht wird. keulendiagramm betrachten. die leds werden dann mit hilfe eine rinzählers (schieberegister) der reihe nach, mit dem, laut wärmeimpulsdiagramm max zulässigen strom angesteuert. um strom zu sparen würde ich hier ein c-mos ic
vorschlagen. die leds sollten über lowlevel-fets und vorwiderstände angesteuert werden (strombegrenzung) es geht auch noch etwas stromsparender, wäre dann aber noch komplizierter. als stromquelle kann man nur einen kompromiss eingehen.
am besten wäre ein lipo akku geeignet, die spannung liegt an der unteren grenze der fets(3,7V). zwei li batterien(6v) wären besser aber auf dauer zu teuer. da ja immer eine led leuchtet, ist der led strom über die zeit maßgebend für die kapazität, der strom für die steuerschaltung ist vernachlässigbar. viel arbeits und zeitaufwand, ob es lohnt mußt du dann selbst entscheiden. zur einsparung von energie ließe sich noch der an aus modus aller leds benutzen, das kommt auf den anwendungsfall an.

[Achim H]

Ein typisches Beispiel dafür, wie man einen Text auf keinen Fall schreiben sollte.
So gänzlich ohne Absätze verliert man sehr schnell den Überblick.

die vorgeschlagene led ist aus mehreren gründen wenig bis ungeeignet,1. sie besitzt nur einen abstrahlwinkel von 60°

Falsch.
Angegeben ist ein Halbwertswinkel von 60°. Dieser wird bis zu gedachten Senkrechten gemessen.
+/-60° = 120°

[ustoni]

Danke, Achim! Vielen Dank!!!

Den Denkfehler von diesem Legastheniker bezüglich des Abstrahlwinkels hatte ich "relativ" schnell erkannt. Den Rest seiner Buchstabenanreihungen (man beachte bitte Klein- und Großschreibung sowie deutsche Grammatik) musste ich erst "verdauen". Ich habe selten so einen unsinnigen Beitrag gelesen.
Auszug:

beträgt 450K/W(K =kelvin,grad)

Das wäre doch mal ein echt geiler Wirkungsgrad !!!

Vielleicht sollte luckylu1 seinen Konsum an Nichtnahrungsmitteln überdenken.

Nachtrag:
Der Wärmewiderstand der IR-LEDs ist vom Hersteller mit 10 K/W angegeben.

[luckylu1]

hallo achim II das mit dem öffnungswinkel ist mir wohl entgangen^^

hallo ustoni !

sinn erfassen ist wohl nicht deine stärke, BELEIDIGEN KLAPPT SCHON GANZ GUT, da man sich ja auf seine eigenen stärken konzentrieren soll, bist du ja auf dem richtigen weg !!!

die auslassungen im unteren bereich waren gewollt, ich wollte ins bett
und das noch fertig bringen.

da du mit dem begriff wärmeübergangswiderstand offensichtlich nichts anfangen kannst, erleutere ich das gerne noch einmal.

hier noch einmal das datenblatt zum nachlesen
http://docs-europe.electrocomponents.co ... 8b01ba.pdf

und oh wunder steht doch da tatsächlich, in der tabelle der grenzwerte, für Rthja 450K/W und weiter oben in dieser tabelle
max. betriebstemp. 100°C. Rthja bedeutet R=widerstand /th=temperatur / j=sperrschicht (junktion) und a=umgebung/luft (air). K steht für Kelvin= temperaturunterschied, nur absolutwerte werden in °C angegeben.

was bedeutet dieser wert nun konkret? er bedeutet, daß bei einer anfallenden verlustleistung von einem Watt, sich die temperatur der sperrschicht um 450K gegenüber der umgebungstemperatur erhöht ! also wären, in diesem fall diese beiden werte zu addieren. geht man von 20°C aus, kommt man auf eine endtemp. der sperrschicht von 470°C !

der von dir angegebene wert von 10K/W , währe beispielsweise der temperaturübergangswiderstand von der sperrschicht zum gehäuse eines leistungsbauelements, dazu käme dann noch der th.übergangswiderstand vom gehäuse zum kühlkörper und der th.übergangswiderstand des kühlkörpers zum kühlmedium, luft, wasser oder anderes. alle diese werte addiert, mit luft als kühlmedium, ruhende luft wohlgemerkt, ergäben dann den wert Rthja.

um nun zu unserem beispiel zurückzukommen, die frage, wie berechne ich nun die max verlustleistung für die angegebene
led? anbei die bemerkung, diese vorgehensweise ist für alle sich erwärmenden bauelemente anwendbar.

als erstes benötigt man immer die maximal zulässige betriebstemperatur in unserem fall sind das 100°C.
als nächstes muß die einsatztemperatur gewählt werden, dabei ist immer der höchste zu erwartende wert einzusetzen!
20°C ist also ein unrealistischer wert, da im sommer, selbst in unseren breiten, 40°C erreicht werden können, sollte dieser wert, als minimalwert(der max. temp) verwendet werden.
daraus ergibt sich als maximale temperaturdifferenz 100°C - 40°C = 60K

um einfacher rechnen zu können, teilen wir 450k/W durch 1000 und erhalten 0,45K/mW für Rthja.
teilen wir die differenztemperatur 60K durch Rthja 0,45K/W erhalten wir 133,3mW, das ist die maximale verlustleistung
die diese led unter diesen bedingungen als wärme abführen kann.
............................................................................................................................................
nur für wirklich interessierte: nicht für suppenkasper, die das haar in der suppe suchen.
welche leistung kann ich nun der led maximal zuführen? Pvled +Pfluxled, also die maximale verlustleistung + die maximale strahlungsleistung, in diesem arbeitspunkt! laut datenblatt gilt die für 100mA angegebene strahlungsleistung nur für 20ms.
die erklärung ist einfach, sowohl der strom wie die spannung, der led, haben einen negativen temperaturkoeffizienten und somit ist die strahlungsleistung Pflux der led abhängig von 3 veränderlichen größen, weswegen hier nur geschätzt werden kann. das wird noch verständlicher wenn man die in der tabelle angegebene flußspannung(Vf) betrachtet. dort stehen für 100mA, 1,3 bis 1,5V. nun könnte man noch differenzielle grenzwertberechnungen machen aber wozu? einfacher ist es, die max leistung durch die max spannung zu teilen und etwas nach unten abzurunden, schon ist man für alle eventualitäten auf der sicheren seite. meine etwas von den herstellerangaben abweichenden max. werte für den strom ergibt sich aus der tatsache, daß der hersteller mit 25°C rechnet. das ist in der dazugehörigen kurve gut zu erkennen.

[ustoni]

Deutsche Sprache schwere Sprache?

[Achim H]

hier noch einmal das datenblatt zum nachlesen
http://docs-europe.electrocomponents.co ... 8b01ba.pdf

und oh wunder steht doch da tatsächlich, in der tabelle der grenzwerte, für Rthja 450K/W und weiter oben in dieser tabelle
max. betriebstemp. 100°C. Rthja bedeutet R=widerstand /th=temperatur / j=sperrschicht (junktion) und a=umgebung/luft (air). K steht für Kelvin= temperaturunterschied, nur absolutwerte werden in °C angegeben.

was bedeutet dieser wert nun konkret? er bedeutet, daß bei einer anfallenden verlustleistung von einem Watt, sich die temperatur der sperrschicht um 450K gegenüber der umgebungstemperatur erhöht ! also wären, in diesem fall diese beiden werte zu addieren. geht man von 20°C aus, kommt man auf eine endtemp. der sperrschicht von 470°C !

Du hast nur einen Wert nicht bedacht: die Led hat keine 1 Watt Leistung. Maximal werden 160mW produziert.
450K/W x 0,16W = 72K --> gleichbedeutend 72°C
Bei einer Umgebungstemperatur von 20°C wären das maximal 92°C.

Ta = temperature ambient (Umgebungstemperatur) --> nicht air

[Dill]

Hallo Leute,

vielen Dank für die ausführlichen Antworten. Ich hatte nicht erwartet, dass meine Frage so viel Staub aufwirbeln würde.
Ich bin aber ehrlich gesagt ein bisschen überfordert mit den Antworten.
luckylu, du meinst, die 2. LED sei nicht geeignet. Die Sache mit dem Abstrahlwinkel ist ja schon geklärt, aber die Strahlungsstärke ist mit 205mW/sr angegeben. Dieser Wert berücksichtigt meines Wissens bereits die Streuung und scheint mir im Vergleich recht hoch zu sein. Oder liege ich da falsch?
Die Wällenlänge von 950nm bezieht sich auf den bereits versuchsweise eingesetzten LED Typ. Die 2. vorgeschlagene strahlt vorwiegend um 860nm. Eine kleine Einschränkung bei der Auswahl ergibt sich hier durch die Verfügbarkeit von optischen IR Passfiltern, die vor allem bei 850nm liegen.

Ich hätte ergänzend mehr Informationen zum Einsatzzweck geben sollen. Die LED Konstruktion soll wie eine Art unauffällige Brosche am Körper getragen werden, also möglichst klein ausfallen. Im Optimalfall also in der Fläche nicht viel größer als die eingesetzte Knopfzelle selbst. Mit dem Einsatz von ICs bin ich ohnehin nicht vertraut, Und auch wenn ich die Funktionsweise der einzelnen Bauteile kenne, so fehlt mir das Wissen, deren Wechselwirkung zu bestimmen. Wenn es also möglich ist, wäre eine reduzierte Schaltung mit evtl. 1 oder 2 Widerständen oder einem Kondensator bzw. ähnliches hilfreich. Sofern dass überhaupt machbar ist. Ein weiterer wichtiger Faktor ist aus dem gleichen Grund der Verzicht auf einen Kühlkörper. Deshalb meine Frage, ist das mit dieser LED bei Einsatz im normalen Raumtemperaturbereich bis ca. 25°C möglich, wenn sie dabei zumindest ein paar Wochen durch hält.

Es tut mir leid, wenn ich damit etwas dreist wirke, aber ich hatte gehofft, dass mir evtl. jemand konkret die benötigten Bauteile nennen kann, die ich dann entsprechend verbauen würde.

LG
Dill

[Achim H]

Deshalb meine Frage, ist das mit dieser LED bei Einsatz im normalen Raumtemperaturbereich bis ca. 25°C möglich, wenn sie dabei zumindest ein paar Wochen durch hält.

Nein.

Mit einer Knopfzelle kannst Du keine Led für ein paar Wochen betreiben. Die Kapazität solcher Batterien ist viel zu gering.

Ein Beispiel:
CR2020
Knopfzelle
Technologie: Lithium
Spannung: 3V
Kapazität: 100mAh.

100mAh bedeutet: es kann ein Strom von 100mA für 1h (Stunden) abgegeben werden.

1 Woche hat 7 Tage a 24h = 168h.
Es dürfte folglich nur ein Strom von max. 100mAh / 168h = 0,595mA entnommen werden.

Der Umstand, dass die Leds gepulst werden können, verlängert die Zeit bzw. die Höhe des Stroms nur unerheblich.
Hinzu kommt, dass der Impulsgeber auch etwas Strom für sich selbst benötigt.

Selbst mit 2 Stück Mignonzellen (2x 1,5V @ 2900mAh) kommst Du nicht hin.
Das reicht bestenfalls für ein paar Stunden, möglicherweise für 1 Tag, aber keine ganze Woche und schon gar nicht mehrere Wochen.