Konstantstromquelle für eine Leistungs-LED an einem LiPo-Akku
Im Projekt Konstantstromquelle für LEDs haben wir eine einfache Schaltung zum Betrieb von LEDs an Spannungsquellen von bis 20V betrachtet. Sie erzeugt einen einstellbaren Konstantstrom von bis zu 20mA. Die Spannungsquelle muss mindestens 1,3V höher liegen als die Flussspannung der LEDs.
Soll eine LED an einem LiPo-Akku betrieben werden, ist diese Schaltung nicht geeignet.
- Ein LiPo-Akku liefert eine Spannung von 4,2V (voll geladen) bis 3,0V (minimal zulässige Entladespannung).
- Eine weiße LED hat eine Spannung von ca. 3,0V.
- Um eine weiße LED an einem fast leeren LiPo-Akku betreiben zu können, darf am Vorwiderstand bzw. an der Konstantstromquelle praktisch keine Spannung abfallen.
Weiße LED mit Vorwiderstand am LiPo-Akku
Für eine erste Abschätzung betrachten wir eine weiße LED mit Vorwiderstand am LiPo-Akku. Wir gehen davon aus, dass die LED eine Flussspannung von 3,0 V hat. Der Vorwiderstand muss für die 4,2 V des voll geladenen LiPo-Akkus ausgelegt sein. Bei einem LED-Betriebsstrom von 20mA sind das 60Ω.
Bei der mittleren Spannung des LiPo-Akkus von 3,6V fließen dann nur noch 10mA, bei 3,0V kein Strom mehr.
Kennlinien von LEDs
Die Spannung des LiPo-Akkus liegt mit 4,2V bis 3,0V nahe an der Flussspannung der LED. Um den Betrieb der LED am LiPo-Akku genauer beurteilen zu können, müssen wir die Kennlinie der LED betrachten.
Die Kennlinien von LEDs sind in LED - Leuchtdioden beschrieben.
Die Kennlinie einer weißen LED entspricht der einer blauen LED.
Wenn wir das Verhalten einer weißen LED bei verschiedenen Versorgungsspannungen betrachten wollen, können wir die unter Arbeiten mit Kennlinien vorgestellte Methode anwenden.
In Bild 2 haben wir einen Widerstand eingetragen, der bei einer Spannung von 4,2V am LiPo-Akku 20mA in die LED fließen lässt (rote Kennlinie: 4,2V, 0mA). Die Flussspannung der LED beträgt dann 3,2V, also etwas höher als unsere erste Annahme von 3,0V. Der Widerstand ist also (4,2V - 3,2V) / 20mA = 50Ω.
Wenn die Spannung am LiPo-Akku sinkt, verschiebt sich die Widerstandskennlinie nach links:
- (magenta: 4,0V, 0mA) wird die Kennlinie der Diode bei 17,5mA gekreuzt.
- (violett: 3,6V, 0mA) wird die Kennlinie der Diode bei 12mA gekreuzt. (3,6V ist die mittlere Spannung eines LiPo-Akkus.)
- (türkis: 3,0V, 0mA) wird die Kennlinie der Diode bei 5mA gekreuzt.
Entgegen unserer ersten Annahme fließt bei einer Spannung von 3V immer noch ein Strom von 5mA durch die LED. Bei 3V ist der Strom nur noch ein Viertel so groß wie bei 4,2V. Sie leuchtet zwar, aber deutlich schwächer als bei 4,2V.
Leistungs-LED
Wir wollen eine Leistung-LED an einem LiPo-Akku betreiben.
Die LED NLS219C ist für Ströme bis 700mA geeignet und hat einer Flussspannung von etwa 3,0V eine Leistung von 2W.
Die LED NVSL219C hat eine Flussspannung von 2,92V bei 700mA und 2,80V bei 300mA. Der differentielle Widerstand beträgt bei 700mA 0,23Ω.
Siehe: Leistungs-LEDs.
Konstantstromquelle
Unsere Schaltung aus dem Projekt Konstantstromquelle für LEDs ist für unser Vorhaben nicht gut geeignet. Im Praktikum Konstantstromquelle für LEDs haben wir die Kennlinie der Konstantstromquelle ermittelt:
Im uns interessierenden Bereich zwischen 3V und 4,2V ist der Strom nicht konstant.
Die grüne Kennlinie beschreibt das Verhalten einer LED an der Konstantstromquelle. Bei 4,2V fließen etwa 12mA durch die LED. Bei 3V sind es noch 7mA. Die Kennlinie zeigt eine starke Änderung des Stroms durch die LED. Die Ursache ist der relativ große Spannungsabfall an der Konstantstromquelle (magenta).
- Wir benötigen eine Konstantstromquelle mit sehr geringem Spannungsabfall.
Die Konstantstromquelle in Bild 5 ist für die 2W-LED NVSL219C mit 700mA ausgelegt.
Die LED1 wird von der Konstantstromquelle versorgt. LED2 ist zum Vergleich mit einem Vorwiderstand versehen.
In der Konstantstromquelle in Bild 5 fließen 700mA durch die LED und R1. Dadurch fällt an R1 eine Spannung von 28mV ab. Wenn der MOS-FET Q2 voll durchgesteuert ist, fallen an ihm nur wenige mV ab.
Bild 6 zeigt den Strom der Konstantstromquelle durch die LED 1 sowie den Strom durch den Vorwiderstand und die LED 2 in Abhängigkeit von der Betriebsspannung.
Die Flussspannung an LED1 ist gelb dargestellt.
Betrachten wir das Verhalten einer Konstantstromquelle für 700mA (magenta). Mit der Konstantstromquelle wird bei einer Betriebsspannung von 3,2V bereits ein Strom von 600mA erreicht. Bei 3,0V fließen immer noch 400mA. Unter 3,2V fällt der Strom durch die LED ab, da ihre Flussspannung knapp unter 3,0V liegt. Der Strom durch die LED ist bei 3,0V um 38% geringer als bei 4,2V.
Die entsprechende Kurve für eine LED mit Vorwiderstand ist grün dargestellt. Der Strom durch die LED2 und den Vorwiderstand beträgt erst bei einer Betriebsspannung von 4,2V 700mA. Bei 3,0V sind es nur 160mA.
Eine Konstantstromquelle für 300mA beschreibt die blaue Kennlinie. Bei 300mA, also etwa 1W an der LED, ändert sich der Strom durch die LED bei einer Betriebsspannung zwischen 4,2V und 3,0V nur um 11%.
Eine LED mit einem Vorwiderstand für 300mA zeigt die orange Gerade.
Für kleinere Ströme kann der MOSFET IRLML6402 verwendet werden.
Bild 7 zeigt die Kennlinien für
- eine weiße 3mm-LED bei 20mA,
- die NVSL219C bei 50mA
- die NVSL219C bei 100mA
Für die drei Ströme sind auch die Kennlinien für die entsprechenden Vorwiderstände dargestellt.
- Für eine 20mA-LED an einem LiPo-Akku ist die Konstantstromquelle mit IRLML6402 ideal.
- Für Ströme über 50mA sollte der MOSFET IRF7410 in der Konstantstromquelle verwendet werden.
Konstantstromquelle aufbauen
Die Konstantstromquelle sollte um einen Unterspannungsschutz für den LiPo-Akku erweitert werden.
Der Komparator MCP65R41T-1202E enthält eine Referenzspannung von 1,21V mit 2% Toleranz.
Für R1 und R2 wurden Werte unter 1MΩ gewählt, da die SMD-Version einfacher zu beschaffen ist.
Der Widerstand R3 wurde auf 330kΩ geändert. Die Spannung an R1x ist damit 20mV. Damit kann der LED-Strom mit R11 bis R14 einfacher eingestellt werden.
- Mit R1x ist der Gesamtwiderstand der Widerstände R11 bis R14 gemeint.
R1x = 0.02V / ILed R1x = 20mV / ILed mit ILed in mA
Jeder Widerstand R11 bis R14 mit 0,1Ω liefert 250mA. Die folgende Tabelle zeigt die Widerstände für relevante Ströme.
| R1x | ILed | |
| R12 + R13 | 0,2Ω | 100mA |
| R11 | 0,1Ω | 250mA |
| R11 || R12 | 0,05Ω | 500mA |
| R11 || R12 || R13 | 0,033Ω | 750mA |
| R11 || R12 + R13 | 0,067Ω | 300mA |
Die Widerstände R11 bis R12 sind immer 0,1Ω.
Mit R11 || R12 + R13 bedeutet, dass R12 und R13 in Reihe und dann parallel zu R11 geschaltet sind.
Natürlich können auch andere Werte verwendet werden.
- Anstelle von R12 + R13 kann auch ein Widerstand von 0,22Ω verwendet werden.
- R14 kann z.B. zum Anpassen verwendet werden.
Die Konstantstromquelle soll an einer LiPo-Zelle betrieben werden, die von der Konstantstromquelle getrennt und geladen wird. Dabei kann es leicht zu einer Verpolung der LiPo-Zelle kommen. Der Konstantstromregler ist durch die dann sperrende LED und die hochohmigen Widerstände R5 und R6 geschützt. Der MCP65R42T-120E würde jedoch sofort zerstört. Die Diode D1 schützt ihn.
- Wer sowohl die LiPo-Zelle als auch die LED verpolt, wird ein rauchendes Wunder erleben.
Aufbau auf Lochrasterplatine
Dieses Projekt ist auf einer Lochrasterplatine aufgebaut.
Wie das geht, beschreibt dieses Praktikum.
Die Darstellung ist ausführlich in Darstellung in KiCAD beschrieben.
Die Konstantstromquelle ist bis auf die Diode D1 in SMD-Technik aufgebaut, weil der Doppeltransistor BCV62, der MOSFET IRF7410 und der Komparator MCP65R41 nur als SMD-Bauelemente verfügbar sind. Das SOT-23-6-Gehäuse des MCP65R41 kann nicht unmittelbar auf eine Lochrasterplatine im 2,54mm Raster gesetzt werden. Es wird ein Adapter verwendet, der im Layout als DIL-6-Gehäuse dargestellt wird.
Die breiten Leiterbahnen beim IRF7410 sollen die Kühlung des MOSFETs unterstützen.
Aufbau
Das SMD-IC und der MOSFET haben leider keine Kennzeichnung der Anschlüsse. Man kann sich nur an der Beschriftung zu orientieren. Am besten macht man gleich nach der Entnahme aus der Verpackung eine Kerbe in das Gehäuse.
Der Aufbau sollte in zwei Schritten erfolgen:
Nach dem ersten Schritt wird der Stromspiegel in Betrieb genommen. Anstelle der R1x wird zunächst ein Widerstand von 10Ω eingesetzt. Wenn der Aufbau fehlerfrei ist, sollten 2mA durch die LED fließen. Die LED sollte leuchten.
- Für den Test müssen R5 und R6 mit Minus verbunden werden.
Danach kann die Leistungs-LED angeschlossen werden. Der Strom durch die LED wird am besten über die Ampere-Buchse des Multimeters gemessen, da der Innenwiderstand des Amperemeters die Schaltung beeinflussen kann.
Wenn der Unterspannungsschutz eingebaut ist, sollte zunächst mit einer elektronischen Sicherung und 20mA gearbeitet werden, weil der MCP65R412T-120E durch hohe Ströme leicht zerstört werden kann.
Die Funktion des Unterspannungsschutzes kann überprüft werden, indem die Versorgungsspannung verändert wird. Bei ausreichend hoher Versorgungsspannung liegt am Anschluss 1 des MCP65R412T-120E 0V an. Bei Unterspannung liegt dort etwa die Versorgungsspannung an.
Prototyp
Der Prototyp erbrachte die erwarteten Ergebnisse.
Zwischen 4,2V und 3,0V ändert sich der Strom in der LED von 510mA auf 460mA bei 3V. Bei 3,02V schaltet der Unterspannungsschutz die LED aus, bei 3,21V wieder ein. Im ausgeschalteten Zustand fließt nur 15µA.
Die Anschlüsse des IRF7410 erwärmten sich bei 4,2V und 500mA auf ca. 65°C. Das verkraftet der IRF7410 problemlos.
- Und tatsächlich, bei einer verpolten Spannungsquelle fließt kein Strom.
Der MCP65R41T-120E befindet sich auf einer Adapterplatine.
Laden von LiPo-Zellen hoher Kapazität
- LiPo-Zellen sind sehr empfindlich gegen Überladung.
- LiPo-Zellen können zerstört werden.
- LiPo-Zellen können brennen.
- Zum Laden von LiPo-Zellen sollten Ladegeräte oder Schaltungen verwendet werden, die für die Zellen geeignet sind.
- Es gibt fertige Lademodule für wenig Geld.
- LiPo-Akkus mit höherer Spannung, also mehreren Zellen in Reihe, dürfen nicht einfach mit einem passenden Ladestrom und Überwachung der Ladeschlussspannung geladen werden.
- die Ladeschlussspannung jeder einzelnen Zelle muss separat überwacht werden.
- Dafür gibt es Balancer-Schaltungen.
- Der Eigenbau von Ladeschaltungen für LiPo-Zellen und LiPo-Akkus ist aufwendig, da die Ladeschlussspannung auf 0,5% eingehalten werden muss.
- Eine hochgenaue Referenzspannung ist erforderlich (besser als 0,5%).
- Es müssen hochgenaue Widerstände verwendet werden (besser als 0,5%).
- Diese Bauelemente sind sehr teuer.
- Fertige Lademodule und -geräte werden für wenig Geld angeboten.
- Z.B. das DEBO2 3.7LI 1.0A von Reichelt für 1,30€ mit USB-Anschluss.