LEDs an 230V

[P.Sparenborg]

Hier eine kleine Problemstellung, für deren Lösung gibts bis zu 500 Credits!

Es sollen eine beliebige Anzahl LEDs mit einem Betriebsstrom von 500mA je LED an 230V~ betrieben werden. Beliebige Menge ist so zu verstehen, dass die Menge an der optimalen Menge für die Schaltung ausgerichtet werden kann.

Erste Überlegung:
Ist es möglich zum Beispiel zwei Reihen a XX LEDs bei einer angenommenen Betriebsspannung von 3,2V je LED zu erstellen und diese mit bestimmten zusätzlichen Bauteilen direkt an 230V~ mit konstanten 500mA zu betreiben? Zwei Reihen weil man sich so einen unter Umständen aufwendigen Gleichrichter sparen kann indem man jede Reihe mit der entsprechenden Phase betreibt? Die Schaltung muss bis 265V~ dauerhaft laufen und Spannungsspitzen bis 3KV verkraften.

Andere Vorschläge?! Ich bin gespannt.

[Jan-et]

man bracuht um bedintgt einen gleichreichter und nen kondesator da sonst die leds blinken und 50hz sieht man
einfache lösung ist eine reihenschaltung schaltung von leds die durch paralleschaltungen ergänzt werden kann wichtig man sollte vor die ganze reihenschaltung eine wiederstand der sehrt leistungsfähig ist setzten.

einfacher ist die benutzung von led treiber wie bei großen p für 230v

von wegen überspannung baut man eine diode ein die bei 300v durchschaltet und einen entsprechend kelinen wiederstand paralelschaltet so das der großteil des stroms darüberfließt(geht das?)

[P.Sparenborg]

Eine Blink Frequenz von 50Hz soll kein Problem darstellen. Wenn zwei Reihen direkt nebeneinander betrieben werden und davor ein milchiges Glas ist gehe ich davon aus, dass auch kein blinken warnehmbar ist, da ständig eine gleichmäßige Helligkeit vorliegt.

Es ist NICHT gewünscht irgendwelche Konstanstromquellen oder ähnliches zu verwenden. Es dürfen nur einzel erhätliche Bauteile wie zum Beispiel Kondensatoren, Dioden oder Transistoren verwendet werden.

[Jan-et]

gut ich bin trotzdem der meinung gas man das sieht gerade aus dem augenwinkel und die 5bauteile kosten ja nicht die welt

[Disabled]

ich werf mal den ansatz stromspiegel in den raum - vielleicht ein lösungsansatz aber vermutlich wegen vielen größeren transistoren nich unbedingt billig


Nachtrag:

http://de.wikipedia.org/wiki/Stromspiegel

[Ragnar Roeck]

Ein Brückengleichrichter (oder halt 4×1N4007 als solcher geschaltet) sollte als "Vorschaltgerät" reichen, Sicherung nicht vergessen. Dann die Ausgangsspannung messen und entsprechend LEDs in Reihe schalten. Dass das Ganze berührungssicher Verpackt sein muss, versteht sich von selbst. Kondensatoren zur Glättung gibt es nicht wirklich (jedenfalls nicht günsitg) mit sinnvoller Kapazität bei der Spannung, da ja 500mA nicht zu wenig sind, sollten es 500-1000µF sein. "Blinken" wirds dann mit 100Hz, wg. Vollwellengleichrichtung.

[P.Sparenborg]

Danke. Zeichnungen, Schaltungspläne usw. sind gewünscht.

[Neo]

muss das ganze galvanisch getrennt sein ?

[Mirfaelltkeinerein]

Die Aufgabe ist nicht ganz einfach, weil man bei einfachen Schaltungen im Einschaltmoment einen Stromüberschwinger bekommt. Jetzt kann man nur versuchen, diesen zu begrenzen.

Ich hab' mal was simuliert:

Der Kondensator dient als eigentlicher 'Vorwiderstand' und sorgt dafür, dass der Strom begrenzt wird. Dummerweise ist das beim Einschalten noch nicht der Fall, weil sich hier der Kondensator, je nach Phase der Wechselspannung, wenn der Kontakt geschlossen wird, erstmal auflädt und wie ein Kurzschluss verhält. Deshalb wird normalerweise noch ein Widerstand in Reihe geschaltet, damit der Einschaltstrom begrenzt wird. Um das bei der gewünschten Stromstärke wirksam zu machen, bräuchte man einen ziemlich großen Widerstand, der dann im laufenden Betrieb eine enorme Leistung in Wärme umsetzen würde (dreistelliger Watt-Bereich). Deshalb habe ich noch eine Induktivität (Drossel) eingebaut. Der (kleine) Widerstand ist noch notwendig, um die Schwingung zwischen Induktivität und Kapazität zu dämpfen, schließlich hat man hier einen Serienschwingkreis.
Die LEDs sind noch antiparallel in Reihe geschaltet. Man müsste sich noch überlegen, ob man zusätzlich noch parallel zu den LEDs antiseriell geschaltete Z-Dioden schaltet, damit, falls mal eine LED ausfällt, die andere nicht in der nächsten Halbwelle folgt (weil die Reverse-Spannung zu stark ansteigt).

Hier ist mal ein Simulationsergebnis für das Anschalten in einem Nulldurchgang der Netzspannung:

Die Skalierung ist unten von 0ms bis 300ms, links von -400V bis +400V und rechts von -1,5A bis +1,5A.

Man sieht, dass der Strom zunächst auf ca. 1,25A ansteigt, aber nur für ca. 2ms. Danach klingt der Maximalstrom schnell ab und pendelt sich bei ca. 725mA ein, was einem Effektivwert von ca. 500mA entspricht.
Leider kann ich keinen Einschaltvorgang in einem Spannungsmaximum simulieren, sondern nur einen Spannungssprung:

Die Skalierung ist unten von 0ms bis 20ms, links von -400V bis +400V und rechts von -3,0A bis +3,0A.

Bei einem Spannungssprung von 0V auf 325V steigt der Strom zunächst auf bis zu 2,9A an, fällt aber innerhalb von 2,5ms wieder unter 500mA, um nach einem Nulldurchgang wieder anzusteigen (ins negative). Man darf hier aber nicht vergessen, dass in der Realität die Spannung nach ca. 10ms wieder auf Null abgesunken wäre (ist ja Wechselspannung mit 50Hz), so dass die Stromschwingung wesentlich stärker gedämpft wäre.
Ach so, die Anzahl der LEDs spielt hier erstmal eine untergeordnete Rolle. Eventuell muss man den Kondensator etwas vergrößern.


So, das wäre m.E. nach die einfachste Lösung. Wenn's komplizierter sein darf, könnte man natürlich die Wechselspannung noch gleichrichten und glätten und vieleicht noch mit einem Schaltwandler runtertransformieren. Man könnte natürlich auch gleich einen Trafo einbauen, der aber bei 500mA schon etwas voluminöser wird.

My two cents...

Nachtrag: Spannungsspitzen werden von der Drossel ebenfalls plattgebügelt. Nur müssen die Bauteile halt entsprechend spannungsfest sein (im wesentlichen die Isolation der Drossel; als Kondensator könnte man einen selbstheilenden Typ nehmen).

[Ragnar Roeck]

Mit dem Gleichrichten bist Du auf 100Hz und brauchst Dir um die Sperrspannung keine Sorgen zu machen.

[Mirfaelltkeinerein]

Brauchst aber eben einen Gleichrichter.
Ich weiß ja nicht genau, was die Anwendung sein soll (kann mir aber ein par Szenarien ausdenken), aber man kann hinter die Drossel, den Widerstand und den Kondensator in meiner Schaltung auch einen Gleichrichter hängen. Das hätte dann den Vorteil, dass die LEDs bei jeder und nicht nur bei jeder zweiten Halbwelle leuchten. Damit würde die Lichtausbeute bei gleicher LED-Anzahl verdoppelt.

Hier der Schaltplan:

Edit: Die LEDs sollten in Reihe geschaltet werden, damit die jeweils wieder den vollen Strom bekommen.

[leuchte]

Mehrere Leds in Reihe, bis zu 60 Stück.

[Mirfaelltkeinerein]

@leuchte: ich habe jetzt nicht nachgerechnet, ob wirklich die verlangten 0,5A (!) fließen (glaube ich eher nicht), aber dann würden an dem 1kOhm-Widerstand 250Watt(!!!) verbraten... (P=R*I^2)

Edit: Ich hab' jetzt doch mal nachgerechnet: da fließen in der Spitze maximal 33mA...

[Bazillus]

Das ist dann nämlich auch genau das Problem wenn du eine rein passive Schaltung nehmen willst ... denn egal, ob du da jetzt noch eine Spule einbaust oder nicht, eine Reihenschaltung aus Kondensator, Widerstand, Gleichrichter und LEDs kannst du immer nur für eine Betriebsspannung und für eine fixe Anzahl an LEDs verwenden. Wenn eine schaltbare Lösung eine Alternative wäre, könnte man natürlich auch darüber nachdenken.

Von 1 - x LEDs einen konstanten Strom zu haben, und das direkt am Lichtnetz bei unterschiedlichen Eingangsspannungen ist ohne aktive Bauelemente (ICs) mit hohem Wirkungsgrad IMHO nicht möglich.

LG, Michael

[Mirfaelltkeinerein]

Solange das x nicht sehr groß ist, macht das bei dem großen Spannungsunterschied 230V -> x*3,2V nicht viel aus. Der Wirkungsgrad kommt daher, dass man einen Kondensator als Vorwiderstand verwendet, der (fast) keine Wirkleistung umsetzt, dafür aber Scheinleistung produziert. Wenn man große Mengen (Fabrikhallenausleuchtung...) von diesen Schaltungen verwendet, steigt einem irgendwann das E-Werk auf's Dach. Da muss dann noch eine Leistungsfaktorkorrektur dran.
Außerdem war ja die Rede davon, dass die Schaltung für eine beliebige Anzahl LEDs ausgelegt werden kann und sich die Schaltung auch auf andere Anzahlen anpassen lassen soll, aber nicht, dass das vom Nutzer gemacht werden können soll. Ich dachte da irgendwie an ein fest zusammengestelltes Modul mit Netzkabel dran und nicht an ein 'Vorschaltgerät' für Bastler.

Beliebige Menge ist so zu verstehen, dass die Menge an der optimalen Menge für die Schaltung ausgerichtet werden kann.

[Synthy82]

Beim (Serien-)Schwingkreis sollten sich doch Phasenverschiebung von Spule und Kondensator kopensieren. Zumindest dann, wenn beide eingesetzt werden. Hab hier grad kein Rechenbeispiel da, wie die im Verhältnis zueinander dimensioniert werden müssen, damit als Leistungsfaktor wieder 1 raus kommt.

[Mirfaelltkeinerein]

Die sind aber nicht als Schwingkreis aufeinander abgestimmt...
(Dann würde man auch eine Spannungsüberhöhung zwischen beiden bekommen und bräuchte spannungsfestere Bauteile.)

[Synthy82]

Joa, ok..
Da geht ja einiges. Wenn die z. B. bei 50 Hz in Resonanz sind, dann reichen schon kleine Frequenzänderungen, um größere Wirkungen hervorzurufen... Zumindest, wenn der Dämpfungsfaktor klein ist - und das sollte er ja möglichst, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.

[P.Sparenborg]

Vielen Dank schonmal. So habe ich mir das vorgestellt. Ich habe schonmal großzügig Credits verteilt

[Mirfaelltkeinerein]

Danke schön

@Synthy82: deshalb sollte man auch die Resonanzfrequenz möglichst weit von 50Hz wegschieben. Aber die Induktivität ist bei der verwendeten Kapazität noch klein genug. Und den Dämpfungsfaktor muss man schon recht groß machen, damit die Schwingungen mit den Stromspitzen beim Einschalten vertretbar bleiben. Deshalb ist da auch ein 10Ohm Widerstand drin. Ich hab's auch mit kleineren Widerständen simuliert, was ja für die Effizienz besser wäre, aber da können dann wesentlich höhere Stromspitzen entstehen. Zwar nur für weniger als eine Millisekunde, aber immerhin. Bei 2,7Ohm war der maximale Strom bei dem Einschaltsprung bei, glaube ich, 8A. Das killt dann wahrscheinlich doch jede High-Power-LED (oder lässt sie zumindest ganz stark degradieren).

[luckylu1]

ein schöner ansatz,habe so etwas ähnliches auch schon im 20 mA bereich gebaut,das funktioniert,wenn konsequent weiter gedacht wird^^
(nachtrag: ich dachte ihr seid schon fertig mit dem grundsätzlichen aufbau,mmm,dann mache ich mir mal morgen noch mal gedanken um den rest,jetzt geh ich erst mal pennen)

da ich ja immer versuche den wirkungsgrad und die sicherheit der bauelemente auch im ungünstigsten betriebsfall
zu gewährleisten,fehlen der schaltung einfach noch ein paar bauelemente!
hier nun die wichtigen ergänzungen:
1.die anzahl der leds wird auf ca. 10 erhöht
2.die verwendeten gleichrichter werden gegen hochstromversionen ausgetauscht in diesem spannungsbereich lassen
sich vorteilhaft schottky dioden verwenden^^,da bei genauer betrachtung auffällt,das die max. sperrspannung
etwa im bereich der flussspannung der in reihe liegenden leds liegt also etwas unter 40V !!!!
3.nun die wichtigste ergänzung ! dazu noch eine kurze erklärung:die lebensdauer von leds erhöht sich,wenn sie an
einer nicht pulsierenden spannung liegen.bei verwendung mehrerer solcher einzelgebilde könnte,wenn sie an
verschiedenen phasen des drehstromnetzes liegen,im überlappungsbereich der lichtquellen ein stroboskop oder
interferenzflimmern sichtbar werden. beide effekte könnten vermieden werden,wenn parallel zu den leds ein
rel. grosser ladekondensator geschaltet werden würde.dieser hätte noch einen anderen sehr
positiveneffekt,selbst bei grossen impulsspannungsspitzen im netz ,würde das kaum eine auswirkung auf die
betriebspannung haben,da erst mal der kondensator höher aufgeladen werden müsste bevor sich eine auswirkung
auf die leds ergibt.
4.da für den schwingkreis nur hochwertige mkt oder mkc typen in frage kommen,noch kurz ein wort zu diesen.diese
kondensatoren sind zwar selbstheilend,was bei einem durchschlagen deren weitere funktion nicht in frage
stellt,aber den nachgeschalteten bauelementen, gleichrichterdioden, kondensator und leds durchaus zum
verhängnis werden könnte.daher müssen noch ein paar massnahmen zur verhinderung der zerstörung getroffen
werden. das sind im einzelnen: a. eine schmelzsicherung im oberen oder unteren eingangsstrompfad b.nach der
sicherung (aus sicht der eingangsspannung)müsste ein varistor entsprechender leistung und spannungsfestigkeit
geschaltet werden,dieser bringt im fall von dauerhaft überhöhter spannung die sicherung zum ansprechen.
c. parallel zum ladekondensator wird ebenfalls noch eine überspannungssicherung eingebaut,diese kann im
einfachsten fall aus einem diac bestehen und sollte so bemessen sein,dass er zündet sobald sich die spannung
an den leds soweit erhöht,das der 1,2 fache normalstrom durch die leds überschritten wird.der nun einsetzende
durchbruch des diacs schliesst nun die betriebsspannung der leds kurz,gleichzeitig wird der ladekondensator
bis fast 0 v entladen,sollte der kurzschluss über dem kondensator im eingangskreis dauerhaft sein,würde jetzt
ebenfalls die sicherung im eingangsstromkreis durchgehen.ob dieser diac nun ohne weitere beschaltung oder mit
hilfe eines weiteren bipolaren leistungstransistor verwendet wird,ist eine frage,die nur in zusammenhang mit
den verfügbaren diacs geklärt werden kann.

mit diesen beschaltungen,dürfte ein recht sicherer betrieb der leds möglich sein,ob weitere massnahmen
erforderlich werden,sollte im praktischen laborversuch ermittelt werden.zur bemessung des varistors sollten
datenblätter benutzt werden, 300v wären sicher ein guter kompromiss.der diac sollte so ausgesucht werden,dass er die schaltung zuverlässig schützen kann.bei verwendung eines leistungstransistors (npn) sollte dieser ,mit
dem kollektor direkt an + und der emitter direkt an - geschaltet werden,der diac wird von + über einen widerstand von wenigen ohm (abhängig vom max. zulässigem basisstrom) direkt an die basis gelegt,zur verringerung von ruheströmen oder restströmen über die kollektor emitterstrecke des leistungstransistors sollte von der basis nach - ein wiederstand von etwa 1kohm gelegt werden.

so,das war es,nun simuliert mal schön *g*

[luckylu1]

so,hab mir das noch einmal angesehen,es besteht noch das gleiche problem,wie zu dem zeitpunkt,als ich dieses projekt aufgegeben habe,eine nahezu verlustlose spannungserniedrigung bekommt man mit etwa 20µF in reihe mit der
gleichrichterbrücke hin,mit dem nachteil,das bei vielen solchen ansteuerungen, im parallelbetrieb, der kosinus phi
unzulässig verschoben werden würde. da auch ein induktiver vorwiderstand in form einer drossel machbar ist,könnte
mit im wechsel angeschlossenen vorschaltgeräten das problem beherrscht werden,als nachteil bleiben erstens die sehr unhandliche mechanische grösse des kondensators, bzw der drossel und der verlust über dem wicklungswiderstand der drossel,wodurch an dieser stelle festgestellt werden muss,das ein betrieb in der form zwar möglich aber nicht sinnvoll ist! es muss also ein anderer weg beschritten werden.

[Mirfaelltkeinerein]

...,wodurch an dieser stelle festgestellt werden muss,das ein betrieb in der form zwar möglich aber nicht sinnvoll ist! es muss also ein anderer weg beschritten werden.

Warum?

Den Wicklungswiderstand kann man (auf Kosten der Baugröße) sehr klein machen.

[luckylu1]

da gebe ich dir recht,allerdings,habe ich schon eine schaltung im kopf,die sicher auch in eine lampenfassung
reinpassen würde,das wäre dann sicher besser,auch wenn wenn die verlustleistung ein µ höher wäre,muss das nur mal testen,hab aber im mom nicht so viel zeit.


ps: eventuell sollte die aufgabenstellung mal ein wenig präzisiert werden,wieviel platz steht zur verfügung,wieviel verluste dürfen entstehen und anzahl der leds,minimal und maximal!

[Jan-et]

ich denke man sollte mal überlegen das man mal von 1-3(mehr halte ich für erstmal sinnlos) p4 ausgeht mit je 500ma das ganze dann als deckenlampe mit 230V
Verlustleistung sollte so niedrig sein wie möglich