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In dieser Rubrik geht es um Grundlagen zu LEDs und einigen grundlegenden Anwendungen dazu.
Speziell zum Fahrrad-Dynamo gibt es inzwischen eine Unterrubrik.
Der kurze Weg geht hier entlang:
LED-Kennlinie (Dezember 2003, März 2004)
Auch wenn man inzwischen mit LEDs schon kräftig Licht machen kann, verhalten sie sich elektrisch völlig anders als Glühlampen, denn sie bestehen nicht aus einer Glühwendel sondern aus einem Halbleiterchip, das die Kennlinie einer Halbleiterdiode hat, nämlich eine nichtlineare I=f(U)-Kennlinie mit einem ausgeprägten Knick bei einer farbspezifischen Spannung (einige typischen Werte siehe Tabelle in der Rubrik Vorwiderstand).
Die "Knickspannung" wird oft als Schnittpunkt einer Tangente (blau gestrichelt) im Nennarbeitspunkt (hier 2,1V/50mA) an der LED-Kennlinie und der waagrechten Achse definiert.
Im gezeigten Beispiel einer roten LED würde sich eine Knickspannung von ca. 1,85V ergeben.
Tatsächlich beginnt der LED-Strom aber schon ab ca. 1,7V nennenswert zu fließen (ist alles eine Frage des Maßstabes!).
Und das heißt, auf einen Nenner gebracht, dass man direkt an eine LED nicht irgend eine Spannung anlegt und dann ein Strom nach dem ohmschen Gesetz fließt (als Beispiel ist zum Vergleich die lineare Kennlinie I = U/R eines 100Ohm-Widerstandes in das Diagramm mit eingezeichnet, die sich im Nullpunkt und bei 2V/20mA mit der LED-Kennlinie schneidet), sondern dass man den gewünschten LED-Strom fließen lässt (wie das geht, steht auf dieser Website) und sich dann die LED-Spannung laut Kennlinie ergibt.
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LED-Kennlinien im Vergleich (18.2.2007)
Anhand der Kennlinien von weißen 1W-LEDs verschiedener Hersteller kann man sehr schön sehen, was es bedeutet, anstatt eines eingeprägten LED-Stromes eine Spannung direkt an die jeweilige LED zu legen.
Würde man (entgegen allen Empfehlungen) z.B. ULED = 3,2V direkt an den LEDs anlegen (gestrichelte Linie), wäre der LED-Strom:
- bei der Luxeon™-LED nur 50mA,
- bei der XLamp® immerhin schon 200mA und
- bei der Golden Dragon® wären es schließlich die gewünschten 350mA!
Diese Ströme gelten aber nur für genau diese drei Exemplare, deren Kennlinien ich aufgenommen habe und nur bei Zimmertemperatur, sprich 21°C Umgebungstemperatur in diesem speziellen Fall!
Fazit: So betreibt man keine LED!
Der LED-Strom ist das Maß aller Dinge
Würde man dagegen - wie auf dieser Website zuhauf dringend empfohlen - den LED-Strom einprägen, wäre der Spannungsabfall bei 350mA LED-Strom laut obigem Diagramm:
- bei der Luxeon™-LED ca. 3,6V,
- bei der XLamp® ca. 3,5V und
- bei der Golden Dragon® nur 3,2V
und zwar wiederum nur bei meinen Exemplaren und nur bei Zimmertemperatur (natürlich auf Kühlkörper montiert).
Diese kleinen Spannungsunterschiede kümmern im Normalfall4 niemanden, deshalb nochmals und immer wieder:
Den LED-Strom einprägen (das würde im obigen Diagramm einer waagrechten Geraden mit Schnitt bei ILED = 350mA [obere Kante] entsprechen) und den LED-Spannungsabfall (so gut wie, aber nicht ganz) vergessen.
Nimmt man statt einer Stromquelle allerdings doch lieber einen LED-Vorwiderstand, schaut die Angelegenheit - wie nicht anders zu erwarten - etwas anders aus.
Wie man diesen Vorwiderstand auch grafisch aus der LED-Kennlinie bestimmen kann, ist hier beschrieben.
Verlustleistung nicht immer gleich
Unter den geschilderten Bedingungen wären die Verlustleistungen in den LEDs (die es zu kühlen gilt):
- 1,3W bei der Luxeon™-LED
- 1,2W bei der XLamp® und nur
- 1,1W bei der Golden Dragon®
Auch eine interessante Erkenntnis!
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Knallhart (März 2004)
Dass man dennoch sehr häufig LED-Taschenlampen und LED-Fahrradlampen etc. findet, bei denen eine oder mehrere LEDs knallhart direkt ohne Strombegrenzungswiderstand an eine Batterie geklemmt werden, liegt daran, dass das alles nichts kosten darf.
Außerdem sind solche Beschaltungen auf eine ganz bestimmte Batteriesorte abgestimmt und leben vom jeweiligen Innenwiderstand dieser Batterie, der schließlich den LED-Strom1 begrenzt.
So gesehen ist das nichts anderes als ein LED-Treiber mittels (relativ niedrigem) Vorwiderstand.
Sehr typisch für diese Art LED-Lampen ist das Nachlassen der Helligkeit kurz nach dem Einschalten und bei weißen LEDs ein Blaustich des Lichtes, was auf Betrieb etwas oberhalb des Nennstromes schließen lässt (abhängig von der verwendeten LED-Sorte).
Großen Schaden richtet das zunächst nicht an. Nur wird die so betriebene LED nicht die versprochenen 100.000 Betriebsstunden (das sind mehr als 11 Jahre) erleben, sondern ihre Helligkeit wird sehr viel früher nachlassen - aber wen kümmert das schon bzw. wem fällt das über die immer noch lange Lebensdauer überhaupt auf?
Etwas mehr über diese "Spartreiber" wird es bei Gelegenheit in der Rubrik LEDs fetz geben.
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PWM oder PWM (22.12.2003)
PWM ist ein viel benützter Begriff beim Ansteuern von LEDs mit höheren Strömen und wird leider auch nicht immer richtig verstanden.
PWM heißt auf englisch Pulse Width Modulation bzw. auf deutsch Pulsweitenmodulation, worunter man sich schon einiges vorstellen kann.
Bei LED-Treibern kommt die Pulsweitenmodulation in zwei verschiedenen Zusammenhängen vor:
1. PWM als Prinzip von getakteten LED-Treibern
2. PWM als Methode zum Dimmen von LEDs
Im ersten Fall werden Energiespeicher (Spulen und Kondensatoren) mittels elektronischen Schaltern (meist MOSFETs) umgeschaltet.
Außer PWM (mit normalerweise konstanter Frequenz) gibt es als Schaltreglerprinzip auch noch VFM (Variable Freqency Modulation bzw. Pulsfrequenzmodulation) und die Kombination von beiden.
Die PWM- bzw. VFM-Frequenzen liegen hier bei einigen zig kHz bis über 1 MHz.
Im zweiten Fall (also beim Dimmen) wird durch Verändern (mit verschiedenen Methoden) des EIN/AUS-Tastverhältnisses eines Rechtecksignales die LED-Helligkeit (oder ganz allgemein die Glühlampenhelligkeit, die Drehzahl eines DC-Motors etc.) eingestellt.
Zum Dimmen gibt es aber auch noch andere Verfahren als nur PWM. Ein ganz einfaches Beispiel eines analogen Poti-Dimmers gibt es hier.
Die Frequenz einer Dimm-PWM liegt übrigens meist im Bereich von ca. 100 Hz und darüber, selten bei einigen kHz.
Und noch etwas:
Eine PWM-Dimmer-Schaltung setzt einen LED-Treiber voraus (Vorwiderstand, linear oder getaktet), der zunächst auf 100% Helligkeit ausgelegt ist, die dann eben per PWM-Steuersignal am LED-Treiber reduziert = gedimmt wird.
Ein PWM-Dimmer ist für sich alleine noch kein LED-Treiber!
PWM und PWM
Es spricht nichts dagegen, dass bei einem LED-Treiber einmal PWM für den Treiber selbst und dann noch PWM zum Dimmen verwendet wird.
Nun müssten die PWM-Unterschiede aber klar sein und dem PWM-Dimmen steht nichts mehr im Wege - mit einer kleinen aber wichtigen Ausnahme, die LED-Treiber für multimediale LED-Beleuchtungen betrifft - oder Videofilmer und Fotografen, die mit einer starken IR-LED-Lampe Nachtaufnahmen machen möchten ...
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Universelle PWM-Dimmerschaltung (13.3.2004)
Bislang hat bei LED-Treiber.de immer noch eine nachbausichere PWM-Dimmer-Schaltung gefehlt, die echte 0...100% überstreicht.
Hier ist sie, realisiert mit einem einzigen, billigen und überall erhältlichen 4-fach-Komparator-IC LM339A und passend für alle hier vorgestellten LED-Treiber und bestimmt viele andere ebenso (sofern sie einen entsprechenden Eingang dafür haben)!
Diese Schaltung verwendet für den (Exponential-) Sägezahn-Oszillator das Prinzip des 555-Timers: Ein RC-Glied (R1/C1) wird über die Versorgungsspannung exponentiell aufgeladen und bei Erreichen einer durch R2/R3 festgelegten Schwelle U2 (hier knapp unter +Ub/2 gegenüber +Ub*2/3 beim 555-Timer) wird der Kondensator C1 über IC1B (Open-Kollektor-Ausgang) wieder entladen.
Gleichzeitig wird die Referenz U2 über IC1A während diesem Vorgang auf ca. 0,1V heruntergezogen, so dass U1 zunächst weiterhin oberhalb von U2 bleibt und C1 nahezu vollständig entladen werden kann. Erst wenn U1 unterhalb von U2 (also 0,1V) gelangt, schaltet der Komparator IC1D um und das Aufladen von C1 beginnt von vorn.
Das Ganze funktioniert absolut zuverlässig, ohne dass irgend welche Trimmer-Potis nötig wären, solange R2<<R1 ist. Denn dann ist die Sättigungsspannung bei IC1A zum Zeitpunkt des abgeschlossenen Entladevorgangs immer höher als bei IC1B.
Um schließlich das gewünschte PWM-Signal zu bekommen, vergleicht man mittels Komparator IC1C die Sägezahnspannung mit einer einstellbaren Referenzspannung U4 (ähnlich wie bei fast jedem PWM-Schaltregler-IC auch), die wegen Spannungsteiler R6/R7 > R3/R2 (bzw. U3 > U2) auch oberhalb der Sägezahnspitzenspannung U2 liegen kann (rechter Anschlag von R6). Somit erlaubt die Schaltung tatsächlich echte 100% PWM-Tastverhältnis (also Ausgang /PWM immer LOW bzw. Status immer EIN).
(Wenn der kleine Totbereich beim rechten Anschlag von R6 stört, kann R2 geringfügig kleiner gemacht werden, solange nur die Bedingung U3>U2 erfüllt bleibt. Die angegebene Dimensionierung stellt auch bei Bauteiletoleranzen echte 100% PWM-Tastverhältnis sicher.)
Auch das andere Extrem von 0% Tastverhältnis (Ausgang /PWM immer HIGH bzw. Status immer AUS) wird erreicht: Die restlichen 0,1V (die Sättigungsspannung von IC1B) beim Entladen von C1 liegen oberhalb der minimalen Spannung von U4=0V (linker Anschlag von R6).
Diese Methode ist nicht nur sehr einfach, sondern das zeitliche Verhalten unseres PWM-Dimmers (die Frequenz des Oszillators und das PWM-Tastverhältnis) ist so gut wie unabhängig von der Versorgungsspannung +Ub, nämlich von 3V bis 36V (Hinweis bei Spannungen +Ub>20V beachten)!
Die vorgestellte PWM-Dimmschaltung lässt also bezüglich Versorgungsspannung wirklich keine Wünsche offen, selbst 3V-basierende Schaltungen können damit angesteuert werden ...
Low und High (13.3.2004)
Je nachdem, wie der anzusteuernde LED-Treiber aktiviert wird, kann man mit der Schaltung einen Aktiv-Low-Ausgang realisieren (/PWM, wie gezeichnet) oder auch einen Aktiv-High-Ausgang, indem man die beiden Pins 8 und 9 des ICs vertauscht.
ACHTUNG bei direkter MOSFET-Ansteuerung!
Eines kann die vorgestellte Schaltung mit ihrem relativ hochohmigen Open-Kollektor-Ausgang nur bedingt, nämlich das Gate eines Leistungs-MOSFETs (mit sehr geringem RDS(ON) bzw. hoher Eingangskapazität) direkt ansteuern.
Für eine solche Anwendung sollte man z.B. bei +Ub=12V den Pullup-Widerstand R5 auf 3,3kOhm reduzieren (und die Test-LED dann weglassen) oder lieber gleich einen geeigneten MOSFET-Treiber dazwischen schalten!
Drehzahl von DC-Motoren steuern
So gerüstet (und die PWM-High/Low-Pegel mittels Pins 8 und 9 des Komparators IC1C richtig festgelegt), lässt sich mit diesem PWM-Dimmer auch mühelos die Drehzahl eines DC-Motors oder DC-Lüfters steuern (ggf. Freilaufdioden nicht vergessen).
Einzig beim Anlaufen aus dem Stand macht sich die PWM-Frequenz durch leichtes Zittern und Brummen des Motors/Lüfters bemerkbar, was aber sofort verschwindet, sobald sich der Motor dreht.
Bei kleinen Versorgungsspannungen muss natürlich ein MOSFET mit entsprechend kleiner Gate-Schwellenspannung gewählt werden, am besten gleich eine Logic-Level-Ausführung.
Bei Versorgungsspannungen >15V unbedingt prüfen, ob der verwendete MOSFET dafür geeignet ist, ggf. eine Ausführung mit zulässiger Gate-Spannung ±20V nehmen. Darüber wird es dann aber wirklich eng.
Die im Schaltbild gezeichnete 2mA-Test-LED kann der PWM-Dimmer alleine natürlich locker treiben (Komparator IC1C schaltet den Ausgang /PWM nach GND durch). Je nach Einsatz kann man diese und den Vorwiderstand R8 natürlich weglassen - oder als Kontroll-LED beibehalten, solange der Ausgangsstrom des Komparators IC1C (je nach R5, R8 und +Ub) im zulässigen Bereich liegt.
Halogen- und andere Lampen
Eigentlich geht es auf dieser Website grundsätzlich um das Treiben von LEDs, aber gerade dieser PWM-Dimmer ist - versehen mit einer geeigneten Leistungsstufe - hervorragend auch zum PWM-Dimmen von Halogen- und anderen Glühlampen geeignet.
Das PWM-Dimmen einer 12V/20W-Halogenlampe z.B. lässt einen billigen BUZ11 völlig kalt.
Falls man den PWM-Dimmer nicht an einer relativ "sauberen" Gleichspannung (Akku, KFZ, Womo ...) betreibt, sondern an gleichgerichteter Wechselspannung, beim PWM-Dimmen von Glühlampen unbedingt diesen Tipp beachten! (3.6.2004)
Selbst Peltier-Elemente ... (1.4.2004)
... lassen sich hervorragend mit dem vorgestellten PWM-Dimmer ansteuern (ebenfalls per Leistungs-MOSFET).
Sie reagieren übrigens blitzschnell, will heißen, dass man auf der heißen Seite unbedingt für ausreichend Wärmeabfuhr (z.B. Kühlköper + Lüfter) sorgen muss, die auch noch nach dem Abschalten für eine gewisse Zeit anhalten sollte. Ansonsten wird die Restwärme (die z.B. noch im Kühlkörper, aber auch in der heißen Seite des Peltier-Elements selbst steckt) zurück auf die kalte Seite übertragen (ausgeglichen).
Um Schaden am Peltier-Element zu vermeiden, muss die maximal zulässige Betriebsspannung des Peltier-Elements mindestens so groß sein wie die Versorgungsspannung +Ub der PWM-Schaltung.
Eigene Versuche wurden mit der 51W-Ausführung TECB 1 (Reichelt) mit Umax=15,4V an einem 12V-Bleiakku durchgeführt.
Sinnvoll wäre in diesem Zusammenhang natürlich - je nach Anwendung - eine echte temperaturabhängige Regelung (mehr dazu siehe auch nachfolgende Abschnitte).
Vorsicht:
Das beidseitige Anfassen eines Peltier-Elements kann binnen Sekunden u.U. gleichzeitig zu Verbrennungen und Erfrierungen führen! 70° Temperaturunterschied sind kein Pappenstiel.
Dimmen mit Spannung
Möchte man das LED-Dimmen nicht mittels Potentiometer R6, sondern mittels einer Dimm-Steuerspannung U4 erledigen (zum Beispiel in DMX-Systemen3), ist das genau so gut möglich (R6 wird dann durch einen Festwiderstand von 10kOhm ersetzt und der jeweils verwendete Komparator-Eingang [siehe Abschnitt "Low und High"] sicherheitshalber hochohmig auf Masse gelegt), allerdings geht dann die Unabhängigkeit des PWM-Tastverhältnisses von +Ub verloren. D.h., dass man die Steuerspannung U4 passend zu U2 auslegen muss.
Soll die PWM-Steuerspannung z.B. im Bereich (0...10)V liegen, so müsste bei sonst unveränderter Schaltung +Ub=20V betragen und konstant sein.
(Ergänzung vom 17.3.2004)
Falls man dagegen eine Steuerspannung von (1...10)V für (0...100)% PWM-Tastverhältnis benötigt, erledigt das ein geeignet dimensionierter Längswiderstand direkt am Ausgang von IC1A, mit dem eine Entladeschwelle U2 von knapp über 1V vorgegeben wird.
Beispiel: Bei obiger Dimensionierung von R2, R3 und +Ub=20V wäre das ein Widerstand von 680 Ohm vom genannten Ausgang zu Punkt U2.
Umgekehrt kann man die Schwelle U2 aber auch an die PWM-Steuerspannung U4 anpassen:
U2 muss knapp unterhalb dem maximalen Wert der PWM-Steuerspannung U4 liegen, um immer echte 100% PWM-Tastverhältnis zu erreichen.
Aufgrund des exponentiellen Spannungsanstiegs von U1 ist der Zusammenhang zwischen Steuerspannung und Tastverhältnis nicht ganz linear, aber bis zur halben Versorgungsspannung (U2) ist der exponentielle Spannungsverlauf durchaus akzeptabel. Dafür ist die Schaltung einfach und universell.
Die Möglichkeit einer massebezogenen spannungsgesteuerten Laststromsteuerung legt nahe, den vorgestellten PWM-Dimmer auch für eine echte Regelung (Motordrehzahl, LED/Lampenhelligkeit etc.) zu verwenden. Ausprobiert habe ich es aber noch nicht.
PWM-Dimmen direkt mittels DMX (9.5.2005)
Falls man LED-Treiber direkt per DMX3 ansteuern und dimmen möchte (wofür sich dann alle hier vorgestellten LED-Treiber mit Enable-Eingang eignen), gibt es unter diesem Link einen ATmega-basierenden Nachbauvorschlag für acht Kanäle.
Kleine Modifikationen
Statt dem 4-fach-Komparator LM339A könnte man für IC1A und IC1B auch nur die 2-fach-Ausführung LM393 im 8-Pin-Gehäuse nehmen und für die beiden Komparatoren IC1C und IC1D dagegen Ausführungen mit Push-Pull-Ausgang. Dann könnten R4 und R5 entfallen. Allerdings muss dann der nachgeschaltete LED-Treiber am Steuereingang für +Ub-Pegel ausgelegt sein.
Mit der ursprünglichen Open-Kollektor-Ausführung (also mit LM339) ließe sich an dieser Stelle ggf. eine Pegel-Anpassung durchführen, indem der Pullup-Widerstand R5 statt an +Ub an eine andere geeignete Spannung (<36V) des LED-Treibers gelegt wird. GND wäre in allen Fällen das gemeinsame Massepotenzial.
Grundsätzlich kann man in der Originalschaltung den einen LM339 durch zwei LM393 ersetzen, wenn man nur solche zur Hand hat. Die Pin-Belegung ist natürlich eine andere --> Datenblatt.
Galvanisch getrennt
Eine weitere Variante wäre ein Optokoppler (Beschaltung wie Test-LED und R8, R5 könnte entfallen), mit dem ein LED-Treiber galvanisch getrennt per PWM gedimmt werden könnte. Diese Methode wäre z.B. bei netzversorgten LED-Treibern angebracht.
Lahmes Auge - schnelle Kamera
Das LED-Dimmen mittels PWM funktioniert hervorragend, ist sehr einfach und effizient - solange man das LED-Licht mit dem optisch trägen Auge betrachtet, das den 150Hz obiger Schaltung keinesfalls folgen kann und deshalb eine stetige Dimmung sieht.
Aufgrund der ausgesprochen schnellen LEDs (werden mit relativ "langsamen" 150Hz AUS und EIN geschaltet) fällt aber ein kurz belichtender Fotoapparat unter Umständen in ein schwarzes Loch (AUS) oder erwischt die 100% Helligkeit (EIN), obwohl die LED z.B. mit 50% gedimmt ist.
Eine Video-Kamera (25 Bilder/sec) dagegen wird bei PWM-gedimmter LED möglicherweise ein Flackerlicht aufnehmen, wie man es von Filmaufnahmen von TV- und PC-Bildschirmen her kennt. Eine schnell bewegte PWM-gedimmte LED wird ggf. sogar blinken!
Das stetige analoge Dimmen (auch bei getakteten LED-Treibern!) hat also durchaus seine Daseinsberechtigung, besonders wenn es um multimedia-taugliche LED-Beleuchtungen geht!
Dummer Brumm (3.6.2004)
Falls man nicht einen Treiber verwendet, der für "sauberen" Strom sorgt, muss man bei gleichgerichteten Wechselspannungen Vorsorge treffen, dass sich die Brummfrequenz nicht über Modulation mit der PWM-Frequenz durch Flackern "sichtbar" macht.
Das kann selbst bei trägen Glühlampen auftreten. Abhilfe schafft ausreichende Siebung direkt nach dem Gleichrichter - nicht an der zu dimmenden Glühlampe (es reichen erfahrungsgemäß etwa 2µF pro 1mA Spitzenstrom) oder eine höhere PWM-Frequenz, die auch mit obigem Schaltungsvorschlag ohne weiteres erreichbar ist (z.B. mit einem kleineren Kondensator C1).
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Dummy-LEDs - LED-Ersatz für Testzwecke (12.2.2004)
Spätestens nachdem man die erste Luxeon™-LED zu Grabe getragen und den tiefen Schmerz wegen des allzu frühen Scheidens aus der bunten LED-Welt einigermaßen überwunden hat, kommt man auf die Idee, bei Testversuchen mit einem neuen LED-Treiber statt einer echten Luxeon™-LED einen LED-Dummy (= Ersatz) zu verwenden.
Recht gut bewährt haben sich für diesen Zweck bei mir schon länger Z-Dioden entsprechender Spannung und Leistung.
1W-Z-Diode
So könnte man z.B. als elektrischen Ersatz für eine weiße oder blaue 1W-Luxeon™-LED ganz einfach eine 1W-Z-Diode mit einer Z-Spannung von 2,7V nehmen.
Warum nicht 3,3V für eine weiße oder blaue LED?
Das liegt daran, dass die Z-Spannung einer 1W-Z-Diode normalerweise bei 1mA spezifiziert ist, wir aber bis zu 350mA durchschicken wollen!
Wie bei normalen Dioden und auch LEDs steigt auch bei der Z-Diode die Flussspannung mit dem Strom noch etwas an, im vorliegenden Fall bei einer mit 350mA durchflossenen 2,7V-Z-Diode auf die gewünschten ca. 3,4V. Bei einer 3,3V-Z-Diode wären es bei 350mA schon ca. 4V Flussspannung.
Kühlung
Die Verlustleistung ist bei 3,4V und 350mA mit 1,2W knapp über der 1W-Grenze, was aber von einer 1W-Z-Diode normalerweise ganz gut auch ohne weitere Kühlung weggesteckt wird.
Für LED-Dummies dieser Art mit höherer Flussspannung ist jedoch eine Serienschaltung von mehreren einzelnen Z-Dioden nötig. Allerdings habe ich für einen 4W-Dummy (z.B. 4 weiße 1W-Luxeon™-LEDs in Reihe) auch schon eine 10W-Leistungs-Z-Diode (montiert in einem Kühlkörper) mit 12V Z-Spannung verwendet.
Eine andere Art eines LED-Dummys wäre die Serienschaltung einer ganzen Reihe von 1A-Standard-Dioden der Familie 1N400x.
Indikator
Da die Z-Dioden (und auch die 1A-Dioden) bei 350mA weder glühen noch leuchten, muss man als Funktions/Status-Indikator noch eine reguläre LED zum Dummy parallelschalten, natürlich über einen Vorwiderstand.
Allerdings muss die Flussspannung dieser Kontroll-LED niedriger sein als die Flussspannung der Dummy-LED. D.h. bei einer weißen Dummy-LED (3,4V) müsste man eine rote, gelbe oder grüne Kontroll-LED verwenden. Bei einer roten 10mA-Kontroll-LED (1,6V) sollte der Vorwiderstand dann z.B. 180 Ohm betragen.
Aktive Dummy-LEDs
Als etwas elegantere Lösung und vor allem auch für höhere Verlustleistungen habe ich mir die aktive Dummy-LED ausgedacht, die nichts anderes ist als eine transistorbasierende aktive Z-Diode mit einer "normalen" LED sowohl als Spannungsreferenz als auch gleichzeitig als Status-Indikator - einfacher geht es kaum!
Wahlweise kann man die Aktiv-Dummy-LED mit einem PNP-Leistungs-Transistor oder einem NPN-Leistungs-Transistor aufbauen, der in einem TO-220-Gehäuse bei 350mA LED-Strom (entspricht einer 1W-Luxeon™-LED) noch nicht einmal unbedingt gekühlt werden muss. Bei 1A LED-Strom (3W-Luxeon™-LED) geht es aber ohne Kühlkörper nicht mehr!
Bei der Auswahl des geeigneten Transistors muss man nicht besonders aufpassen. Jeder BD-Transistor ist geeignet, selbst das alte "Arbeitspferd der Elektronik" - der 2N3055 - kann dafür verwendet werden!
Lediglich beim 3W-LED-Dummy muss man auf ausreichend Stromverstärkung des Leistungstransistors achten, da der Basisstrom des Transistors gleich dem LED-Strom der Referenz/Status-LED ist und dieser deren zulässigen LED-Strom nicht übersteigen soll.
Einer meiner Dummys mit einem BD244B (PNP, TO-220) und einer ultrahellen weißen Kingbright-LED ersetzt mit 3,4V Flussspannung @350mA perfekt eine weiße 1W-Luxeon™-LED! Schon bei einem ersten Hauch von LED-Leuchten beträgt die Flussspannung bereits 3V, d.h. die Dummy-LED hat einen ausgeprägten Spannungsknick.
Dummy-LED kommerziell (6.12.2009)
Dass obige Idee wirklich sehr praktisch ist, hat sich offensichtlich rumgesprochen, denn man kann eine Dummy-LED nach obigem Prinzip inzwischen unter der Bezeichnung "LED-Dummy" käuflich erwerben.
5W-Dummy-LED (12.2.2004)
Für einen 5W-Luxeon™-LED-Ersatz (doppelte Flussspannung!) nimmt man in obigen Schaltungen einfach zwei Indikator-LEDs entsprechender Farbe in Reihe. Auch hier ist auf ausreichend Stromverstärkung und Kühlung des Transistors zu achten.
Schutzschaltung
Die beschriebenen Dummy-LEDs können auch als Schutzschaltung dienen und zwar wenn in einem getakteten LED-Treiber bei LED-Unterbrechung je nach Schaltungsprinzip2 unzulässig hohe Spannungen auftreten würden.
Für diesen Zweck schaltet man eine Dummy-LED parallel zu der gefährdeten LED und dimensioniert die Dummy-LED mit einer etwas höheren Flussspannung (z.B. mit einer 1N4848-Diode in Serie zur Referenz/Status-LED).
Im Ernstfall übernimmt die Dummy-LED den LED-Strom und schützt so den LED-Treiber. Dieser Betriebszustand (defekte zu treibende LED) wird dann durch die Status-LED angezeigt.
Je nach Kombination von Referenz/Status-LED und verwendetem Leistungstransistor kann es sein, dass die Dummy-LED auch ohne die zusätzliche 1N4148 bereits eine etwas höhere Flussspannung als die zu schützende LED hat (wie in oben genanntem Beispiel mit dem BD244B). Ggf. leuchtet die Status-LED im Normalbetrieb ganz schwach. Erst im Ernstfall leuchtet sie dann stärker.
Sicher ist sicher
So - ab sofort müssen bei Testversuchen Luxeon™-LEDs nicht mehr unnötig den frühzeitigen und heldenhaften LED-Tod sterben und selbst gefährdete getaktete LED-Treiber können mit den beschriebenen Dummy-LEDs geschützt werden ...
Achtung!
Wir haben inzwischen gelernt, dass man an eine LED nicht ganz plump eine Spannung anlegt, sondern dass eine LED mit Strom versorgt wird.
Das gilt haarscharf auch für die eine Aktiv-Dummy-LED!
Bei Missachtung stirbt mindestens die Referenz/Status-LED - oder man hat etwas Glück und die angelegte Spannung liegt unterhalb der Flussspannung der Aktiv-Dummy-LED.
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Artikel "Kraft für die LEDs" in Elektor (Mai 2007)
Der Titel "Power to the LEDs" der englischen Ausgabe trifft den Inhalt des Artikels im Maiheft 2007 (Seite 60 bis 64) von Elektor vielleicht etwas besser - vermutlich war der Redakteur schlicht vom Titelbild mit dem Kraftprotz Audi R8 inspiriert.
Inhalt
- Lineare LED-Treiber (Beispiel mit LDO MIC29152)
- Wirkungsgrad
- LED-Controller (Beispiel mit MIC5190)
- Getaktete LED-Treiber (Beispiel mit MIC4682)
- Step-Up-LED-Treiber (Beispiel für 6-Chip-OSTAR® mit MIC2196)
- LEDs am Netz (keine Schaltbeispiele)
Denselben Beitrag gibt es außer in Deutsch und Englisch auch in Französisch (alle jeweils im Maiheft 2007) und im Septemberheft 2007 auch in Niederländisch.
Hier der Beitrag sogar in Finnisch (als PDF):
http://www.paivalehdenarkistosaatio.fi/arkisto/artikkelit/2007-9/PDF/LEDIT.pdf
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Warnhinweis
Bevor es nun mit dem Experimentieren losgeht, sei noch ein Warnhinweis gemacht für all diejenigen, die es das erste Mal mit ultrahellen LEDs oder gar den Luxeon™-LEDs versuchen wollen (wofür die Schaltungsvorschläge von LED-Treiber.de ja geeignet sind):
Die Leuchtstärken dieser LEDs sind so groß, dass man bei direktem Hineinschauen die Netzhaut der Augen vorübergehend oder dauerhaft schädigen kann.
Bei UV-LEDs und IR-LEDs sieht man mit dem menschlichen Auge außerdem so gut wie nichts leuchten.
Es ist also äußerste Vorsicht angebracht - so faszinierend die LEDs sind!
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[1] Aus der Batterie-Leerlaufspannung und dem Batterie-Innenwiderstand lässt sich der LED-Strom sehr einfach aus der LED-Kennlinie bestimmen. Diese Konstruktion hätte obiges Diagramm aber etwas überfüllt.
[2] Ein guter LED-Treiber ist immun gegen eine Unterbrechung durch eine defekte oder fehlende LED = leerlauffest. Außerdem ist er auch immun gegen einen LED-Kurzschluss, was für jede Stromquelle gelten sollte.
Spulenbasierende Step-Up-Wandler sind meist nur dann leerlauffest, wenn geeignete schaltungstechnische Maßnahmen getroffen sind.
[3] Beim digitalen DMX-512 ist ein DMX-Demultiplexer nötig, der das digitale DMX-512-Signal in ein analoges (normalerweise 0...10V) umsetzt.
[4] Bei Step-Up-LED-Treibern bestimmt die LED-Flussspannung die minimale Versorgungsspannung (je nach Schaltungs-Topologie).
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