EINLEITUNG
damit man über verlustleistung etwas genaues sagen kann,muss man sich über die definition im klaren sein!
also verlustleistung ist alles das, was in irgendeiner energieform entsteht,die nicht der form entspricht die wir erzeugen wollten. es handelt sich im grunde genommen nur um eine differenzangabe, die immer eine vorherige
definition erfordert.ein paar beispiele mögen das verdeutlichen:
-ich betreibe einen gleichstrom elektromotor,gewünschte energieform ist die mechanische in form einer drehbewegung
folgende energieformen treten zusätzlich auf? sie sind nicht erwünscht und stellen in diesem fall in addition die
verlustleistung dar,diese aufzählung muss nicht komplett sein,da sie nur als beispiel dient.
1.weil es jeder weiss,wärme wärme energie dokumentiert sich motor wird warm
2.vibrationen mechanische energie fussboden vibriert
3.geräusche akustische energie brummen
4.licht optische energie funken an den kohlebürsten
obwohl einige der verlustenergien sehr kleine mengen an energie beinhalten,sind sie teil des gesamtverlustes,da sie und das ist das entscheidende,laut unserer vorigen definition,nicht erwünscht sind.
ein zweites beispiel,welches ich gestern erst hier im forum gelesen habe,soll die verdeutlichung abschliessen.
zum laden eines akkumulators wird in reihe zur stromquelle eine glühlampe,zum stabilisieren des stromflusses
angeschlossen,da anfangs die spannungsdifferenz gross ist,leuchtet die lampe,hier tritt nun als verlustleistung
wärme und licht auf,weil unser ziel das aufladen des akkus ist,ist das licht als verlust anzusehen.
da für uns in der elektronik die wärmeverluste den absolut grössten verlustfaktor darstellen und zudem auch noch schädlich sein können,werden wir in den nachfolgenden betrachtungen alle anderen verlustfaktoren vernachlässigen.
1. TEIL
da es im weiteren nur um den zuverlässigen betrieb von LED´s gehen soll,legen wir folgendes fest:
die verwendete eingangsspannung ist ausschliesslich gleichspannung mit einem toleranzbereich von + 20%,damit sind betrachtungen über die bereitstellung dieser nicht gegenstand der erklärung.
da sich die gesamtverlustleistung im wesentlichen aus zwei faktoren zusammensetzt,werden diese einmal einzeln und in folge in gesamtheit betrachtet,die unwesentlichen faktoren sind ebenfalls nicht teil der erklärung.um diese
vernachlässigen zu können wurde ein relativ grosser toleranzbereich für die eingangsspannung gewählt.
da der elektrische wirkungsgrad von LED´s nur recht schwer zu berechnen ist,wird er bei der berechnung nicht berücksichtigt,was zur folge hat,dass die für die LED ausgerechnete verlustleistung immer bis ca.
25% zu hoch ist.diese sichtweise hat einerseits den vorteil der vereinfachung der berechnung und andererseits das bei der späteren berechnung der kühlkörpergrösse eine grössere toleranz in bezug auf die umgebungstemperatur besteht. auf grund der abhängigkeit der leuchtstärke von der temperatur,wird nur ein positiver effekt, in richtung grösserer helligkeit entstehen.betrachtet wird hier eine reihenschaltung von einer led und einem vorschaltgerät.
verwendete grössen:
strom I in ampere
spannung U in volt
widerstand R in ohm
leistung P in watt
gesamtverlustleistung Pvges in watt
led verlustleistung Pvled in watt
verlustleistung des vorschaltgerätes Pvvor in watt
flussspannung der led Uf in volt
led strom If in ampere
konstantsromquelle (KSQ) Iksq in ampere
strom durch den widerstand Ir in ampere
wiederstandsleistung Pvr in watt
formeln:
U : I = R
U * I = P
I² * R = P
U² : R = P
If = Iksq = Ir = I da es sich hier um eine reihenschaltung handelt
Pv
berechnungsbeispiele:
kleinsignal led rot maximalstrom 0,02 A bei der betriebsspannung von 1,8 V (datenblatt oder ausgemessen)
die led soll mit hilfe eines vorwiderstandes im zulässigen arbeitsbereich betrieben werden,das bedeutet,das der zulässige maximalstrom in keinem fall überschritten werden darf!
gegeben:
Ifmax = 0,02 A
Uf = 1,8 V
U = 12,0 V
gesucht:
Umax,R,Pvrmax,Pvledmax,Pvgesmax,Pvr,Pvled,Pvges
um die rechnung nicht sinnlos genau zu machen,werden nur 3 stellen nach dem komma zugelassen
Umax = U x 1,2 = 12V x 1,2 = 14,4V
R = (Umax - Uf) : I = (14,4V - 1,8V) : 0,02A = 630ohm
da dieser wert nur in einer sehr hohen genauigkeitsklasse (E192,teuer)verfügbar ist wird der nächst höhere wert in einer akzeptablen genauigkeitsklasse,hier E24 reihe gewählt 680ohm,natürlich ist auch eine reihen- und oder parallel-schaltung zur darstellung des genauen wertes möglich aber meist nicht sinnvoll.nun wird mit diesem wert weitergerechnet.als erstes muss nun der strom neu berechnet werden.
Imax = (Umax -Uf) : 680ohm = 0,0185A
mit diesem wird jetzt die wiederstandsverlustleistung berechnet
Pvrmax = (Umax - Uf) x Imax = (14,4V - 1,8V) x 0,0185A = 0,233W
jetzt folgt die berechnung des normalstromes und der daraus resultierenden leistung
I = U : R = 12V : 680ohm = 0,0176A
Pvr = I² x R = 0,211W
die max. gesamtleistung ergibt sich zu
Pvges = Imax x Umax = 0,0185A x 14,4V = 0,266W
ein vergleichender blick auf die widerstandsverlustleistung zeigt,dass die led verlustleistung sehr gering ist
und bei dem einsatz unter diesen bedingungen,keine weiteren betrachtungen notwendig sind.die notwendigerweise
abzuführende verlustleisung benötigt also einen 680ohm widerstand der 0,233W in wärme umwandeln und an die umgebung abgeben kann.dazu kommt ein widerstand mit 0,25W zur anwendung.
bei dem betrieb mit konstantstromquelle (ksq),vereinfacht sich einerseits die berechnung und andererseits wird der strom immer im zulässigen maximalem bereich gehalten,was eine ständig konstante lichtleistung bewirkt.
da wie oben bereits zu sehen,in dieser leistungsklasse der led die wärmeleistung dieser sehr gering ist,wird auch hier auf eine berechnung verzichtet.damit ist für betrieb mit ksq nur der maximalbetrag der an wärme entstehenden verlustleistung,zur abschätzung des kühlbedarfs notwendig.dieser berechnet sich zu:
Pvksq = (Umax - Uf) x I = (14,4V - 1,8V) x 0,02A = 0,252W
damit kann gesagt werden,das im normalfall für eine kqs dieser leistungsklasse keine zusätzliche kühlung erforderlich ist.
anders sieht das hingegen aus,wenn eine höhere leistungsklasse der led gewählt wird.das wird in der folgenden berechnung deutlich.
wird fortgesetzt
Die Verlustleistung und ihre Berechnung
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C.Hoffmann
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