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Nichia SMD-LED NSSL157T-H3
Weiße LEDs werden an einer Spannungsquelle von 12 V allgemein so betrieben, dass je 3 LEDs in Reihe mit einem Widerstand geschaltet werden. Mit dem Widerstand wird der durch die LEDs fließende Strom festgelegt. Nachteil dieser Schaltung ist der Wirkungsgrad von nur 75%. 25% der Leistung werden prinzipbedingt durch die Widerstände verbraucht. Hinzu kommt der Wirkungsgrad der Spannungsversorgung, der die Effizienz weiter senkt.
Beispiel:
Eine LED mit 100 Lumen je Watt wird wie oben beschrieben beschaltet. Bei einem Wirkungsgrad von 75% der Schaltung ergeben sich nur noch 75 Lumen je Watt. Das Schaltnetzteil zur Versorgung der LEDs hat einen Wirkungsgrad von 81 %. Daraus ergibt sich eine Effizienz der Schaltung von 60,75 Lumen je Watt.
Könnte man den Widerstandsverlust eliminieren, ergäbe dies bei sonst gleicher Schaltung eine Effizienz von 81 Lumen je Watt. Eine Beschaltung von LEDs ohne Vorwiderstand ist bisher eigentlich nur mit Leistungs-LEDs mit Konstantstromquellen möglich.
Die Nichia SMD-LED NSSL157T-H3 weist aber gegenüber anderen Standard-LEDs eine Besonderheit auf: der Soll-Betriebsstrom beträgt 80 mA, der maximal erlaubte Betriebsstrom beträgt aber 150 mA, also fast das Doppelte.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie sieht dabei wie folgt aus:
- Kennlinie 1.jpg (88.85 KiB) 6886 mal betrachtet
Anmerkung vorab hierzu: die Kurve zeigt das durchschnittliche Verhalten aller produzierten LEDs. Die Kurve kann je nach Charge um plus oder minus 0,3 V abweichen. Die von mir bei Lumitronix erstmals bestellten LEDs kamen in einem Streifen und damit aus der gleichen Charge und hatten bei 85 mA eine Durchbruchspannung von ziemlich genau 3 V (Messwerte: 2,997 V bis 3,002 V).
Interessant wird es, wenn man sich die Temperatur-Spannung-Kennlinie ansieht:
- Kennlinie2.jpg (78.32 KiB) 6886 mal betrachtet
Allgemein lassen sich beide Kennlinien wie folgt interpretieren:
Bei steigendem Strom steigt auch die Durchbruchspannung der LED.
Bei steigender Temperatur sinkt die Durchbruchspannung der LED.
Da ein größerer Strom aber einer größeren Leistung entspricht, entspricht ein größerer Strom auch einer höheren Temperatur des Chips. Diese Temperaturerhöhung wirkt durch die sich verringernde Durchbruchspannung einer Stromerhöhung entgegen. Folglich muss sich ein stabiler Arbeitspunkt bei einer bestimmten Temperatur einstellen.
Setzt man die Temperatur-Spannung-Kennlinie in eine Spannungs-Temperatur-Kennlinie um, ergibt sich folgendes Bild:
Bei meinem ersten Versuchsaufbau haben sich diese Überlegungen bestätigt. Ich habe eine kleine Platine entworfen, bei der 4 LEDs in Reihe geschaltet waren. Dieser LED-Typ muss durch eine Kupferfläche an der Kathode der LED gekühlt werden. Bei meinem Versuchsaufbau waren dies ca.1/2 cm2 Kupferfläche je LED.
Bei Anlegen einer Betriebsspannung von 12,0V hatte ich folgende Ergebnisse:
Stromaufnahme der Reihenschaltung nach Anlegen der Betriebsspannung: 76 mA
Stromaufnahme nach Stabilisierung (ca. 20 Minuten): 85,5 mA
Daraus ergibt sich auch der Nachteil dieser Beschaltung: die LEDs liefern beim Einschalten „nur“ 88% der Helligkeit. In der Praxis ist dies jedoch belanglos, das menschliche Auge sieht hier ohnehin keinen Unterschied.
Offensichtlich ist der Betriebsstrom auch abhängig von der Umgebungstemperatur. Höhere Temperatur bedeutet höherer Strom. Um diese Auswirkung zu untersuchen habe ich die Platine in Schaumstoff eingewickelt um einen Wärmestau zu erzwingen. Ergebnis: die Stromaufnahme stabilisierte sich bei 89 mA.
Fazit:
Ein Betrieb dieser LEDs an einer konstanten Spannung ist problemlos möglich. Der Wirkungsgrad der eigentlichen LED-Schaltung beträgt dabei 100% der LED-Leistung. Verluste ergeben sich ausschließlich aus dem Wirkungsgrad der verwendeten Stromversorgung.
Um einen definierten Strom einstellen zu können, muss ein einstellbares Netzteil verwendet werden. Hier bieten sich die Netzteile ArtNr.95032 (12 V/1A), ArtNr.95033 (12V/4A) an, da sie sich im Bereich von 10,8 bis 13,2 Volt einstellen lassen.
Zum Einstellen des Stroms schaltet man einfach ein Multimeter zwischen positiven Ausgang des Netzteils und den positiven Anschluss der Schaltung. Wichtig dabei ist, dass man das Multimeter in den 10A-Messbereich schaltet. Bei kleineren Messbereichen ist der Innenwiderstand des Multimeters zu groß, das Multimeter würde dadurch einen viel kleineren Wert anzeigen, als in der fertigen Schaltung dann fließt.
Beispiel: Angenommen eine Schaltung aus 100 LEDs soll so abgeglichen werden, dass durch die LEDs ein Strom von 80 mA fließt. 100 LEDs bedeutet, dass 25 Reihenschaltungen aus je 4 LEDs parallel geschaltet sind.
25 x 80 mA = 2000 mA = 2 A
Netzteil, Multimeter und LED-Platine werden wie oben beschrieben verschaltet und anschließend das Netzteil eingeschaltet. Dann wird das Netzteil so eingestellt, dass ein Strom von ca. 1,8 A angezeigt wird. Jetzt muss man warten, bis sich die Anzeige des Multimeters stabilisiert, die LEDs also auf Betriebstemperatur sind. Das kann durchaus eine halbe Stunde dauern. Dann wird der gewünschte Strom von 2 A eingestellt. Erneut eine halbe Stunde warten und die Einstellung ggf. nachregeln.
Ganz wichtig bei eigenen Projekten ist, dass nur LEDs aus der gleichen Charge verwendet werden. Es ist nicht möglich Reihenschaltungen unterschiedlicher Chargen parallel zu schalten!
Sollten sich unterschiedliche Chargen nicht vermeiden lassen, müssen diese gleichmäßig verteilt werden!
Bei obigem Beispiel mit den 100 LEDs könnte dies z.B. bedeuten, dass man 75 LEDs aus der ersten Charge und 25 LEDs aus der zweiten Charge verwendet. Dann müsste man je 3 LEDs der ersten Charge mit je einer LED der zweiten Charge in Reihe schalten.
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Soweit der Originalartikel.
Inzwischen habe ich 2 weitere Leuchten nach diesem Prinzip gebaut. Beide sind inzwischen seitca. 2 Monaten ohne Probleme im Einsatz.
Die erste Leuchte war eine Lichtleiste, bei der ich 36 LEDs in einem Alu-U-Profil verbaut habe. Als Stromversorgung dient dabei ein 12 V-Steckernetzteil. Eine Erwärmung ist hier fast überhaupt nicht feststellbar. Der LED-Strom stabilisiert sich bei 67 mA. Die LEDs haben eine Effizienz von durchschnittlich 90 lm/W. (Die Angabe von Lumitronix ist der maximal erreichbare Wrt des besten Ranks) Der Lichtstrom der Leiste beläuft sich damit auf rechnerisch 673 Lumen. Das Steckernetzteil hat einen Wirkungsgrad von 73 %, Daraus ergibt sich eine Effizienz von 65,7 lm/W. Bei herkömmlicher Verschaltung mit Vorwiderstand wären es nur 49,3 lm/W!
Die zweite Leuchte ist eigentlich ein Abfallprodukt. Zunächst wollte ich nämlich wissen, ob diese Schaltungstechnik auch bei höheren Temperaturen und höheren Strömen zuverlässig funktioniert. Hierzu habe ich 28 LEDs (also 7 Reihenschaltungen mit je 4 LEDs) auf einen Kühlkörper montiert. Den Kühlkörper habe ich bewusst so dimensioniert, dass eine Kühlkörpertemperatur von ca. 50 Grad Celsius zu erwarten war. Bei einer Betriebsspannung von 13 V stabilisiert sich die Schaltung bei 110 mA LED-strom und einer Kühlkörpertemperatur von 54 Grad Celsius bei 25 Grad Celsius Umgebungstemperatur. Da die LEDs einen Wärmewiderstand von 55 K/W haben und je LED 0,37 W umgesetzt werden, liegt die Chip-Temperatur 20 Grad über der Kühlkörpertemperatur und damit bei 74 Grad Celsius. Also auch hier alles im grünen Bereich.
Die Effizienz der LEDs liegt bei 110 mA bei etwa 82 lm/W. Durch die relativ hohe Temperatur des Kühlkörpers reduziert sich dieser Wert gem. Datenblatt auf ca. 78 lm/W. Daraus ergibt sich ein Lichtstrom von 810 Lumen. Das verwendete Netzteil hat einen Wirkungsgrad von 81%, woraus sich ein Wert von 63 lm/W ergibt. Mit Widerständen wären das gerade mal 47 lm/W gewesen.
Den Kühlkörper habe ich dann einfach auf ein 1 m langes Alurohr geklebt. Fertig war der Deckenfluter. Dieser steht jetzt hinter meinem Monitor auf dem Schreibtisch. Diese Leuchte ist bei mir öfter im Betrieb als ich ursprünglich angenommen hatte. Das sieht dann so aus:
