Konstantstromquelle für LEDs
Kenntnisse anwenden
Wir wenden unsere Kenntnisse über
- Transistoren
- aber auch über Strom und Spannung an.
Aus Schaltungen mit LEDs wissen wir, dass LEDs immer mit einem Vorwiderstand betrieben werden müssen.
Der Strom Iled durch die LED hängt natürlich von der Versorgungsspannung Uv ab aber auch vom Vorwiderstand Rv und der Flussspannung Uled der LED:
Iled = (Uv - Uled) / Rv
Wenn wir eine Versorgungsspannung Uv haben, die sich einem großen Bereich ändert, ändert sich auch der Strom Iled durch die LED. Eine kleine Änderung der Versorgungsspannung führt zu einer Änderung des Stroms Iled, aber die resultierende Helligkeitsänderung ist kaum wahrnehmbar.
Ändert sich die Versorgungsspannung Uv in einem großen Bereich, z.B. von 4V auf 20V, ändert sich der Strom erheblich, z.B. um mehr als das Fünffache.
Wir brauchen eine Schaltung, die den Strom durch die LED weitgehend konstant hält.
- Wir messen den Strom durch die LED und regeln den Vorwiderstand.
- Wir kennen einen regelbaren Widerstand: einen Transistor.
- Wie messen wir den Strom?
Den Strom messen
Im Praktikum Ströme messen haben wir gelernt, dass wir Ströme indirekt über Spannungen an Widerständen bestimmen können.
Nun stellt sich allerdings die Frage, wie wir Spannungen messen können.
Wir wollen erreichen, dass der Strom durch die LED immer gleich ist. Wir wollen also sicherstellen, dass die Spannung am Messwiderstand immer gleich ist. Dazu vergleichen wir die Spannung am Widerstand mit einer bekannten konstanten Spannung.
Die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors ist ziemlich genau 0,6V.
Wir können den Strom durch eine LED durch einen Widerstand leiten und die abfallende Spannung an die Basis eines Transistors legen und mit der Basis-Emitter-Spannung des Transistors vergleichen.
Die Schaltung
- Wir benötigen zwei Transistoren:
- den geregelten Transistor und
- den Transistor für die Strommessung.
Der Strom durch die LED wird mit dem Transistor Q1 über den Widerstand R2 gemessen. Der Strom durch die LED wird mit dem Transistor Q2 eingestellt.
Die Spannung am Widerstand R2 ist die Basis-Emitter-Spannung Ube=0,6V von Q1. Der Strom durch den Widerstand R2 beträgt:
Iled = U1 / R2 Iled = 0,6V / R2 Iled = 0,6V / 33Ω Iled = 18mA
Der Transistor T2 erhält über den Widerstand R1 einen Strom in die Basis. Dadurch wird T2 leitend und es fließt ein Strom durch die LED und R2. Wenn der Strom 18mA ist, wird der Transistor T1 leitend und es fließt ein Kollektorstrom. Um diesen Strom durch T1 verringert sich der Basisstrom von T2 und T2 lässt weniger Strom durch die LED und R2 fließen. Letztendlich regelt T1 den T2 so, dass immer 18mA fließen.
Wir benötigen eine Mindestspannung, damit die Schaltung funktioniert:
Umin = Uled + Ube Umin = 1,7V + 0,6V Umin = 2,3V
Die Konstantstromquelle ist natürlich nicht perfekt.
Wir messen den Strom durch die LED bei verschiedenen Versorgungsspannungen und tragen die Werte in eine Tabelle ein:
| Uv | Iled |
| 1,5V | |
| 3V | |
| 5V | |
| 9V |
Eine Änderung der Helligkeit einer LED wird in der Regel erst wahrgenommen, wenn
- der Strom durch die LED verdoppelt oder
- halbiert wird.
Mehrere LEDs
Was passiert, wenn wir mehrere LEDs in Reihe schalten?
Wir verwenden rote LEDs mit einer Flussspannung von 1,7V.
Bei 5V muss der Vorwiderstand für eine LED etwa 180Ω sein. Dann fließen auch 18mA durch die LED.
| Anzahl LEDs | Iled |
| 1 | 18mA |
| 2 | 14mA |
| 3 | ? |
Versuchen wir das Gleiche bei 9V einem Vorwiderstand von 390Ω:
| Anzahl LEDs | Iled bei 390Ω | Iled konstant |
| 1 | 20mA | |
| 2 | 15mA | |
| 3 | 10mA | |
| 4 | 5mA | |
| 5 | 1mA |
Wir messen und tragen die Werte in die Tabelle ein.
Mit unserer Konstantstromquelle haben wir auch bei fünf LEDs noch einen Strom, der nur geringfügig von unseren vorgegebenen 18mA abweicht.
Kennlinie der Konstantstromquelle
Eine Konstantstromquelle sollte idealerweise immer den gleichen Strom liefern, egal welche Spannung an der Konstantstromquelle auch anliegt.
Unsere Konstantstromquelle liefert bei unterschiedlichen Spannungen nicht immer den gleichen Strom.
Das Verhalten einer Konstantstromquelle lässt sich kann am besten durch ihre Kennlinie darstellen.
Wir messen den Konstantstrom bei verschiedenen Spannungen, tragen ihn eine Tabelle ein und erstellen daraus die Kennlinie:
| Spannung | Strom |
| 0,5V | |
| 0,6V | |
| 1,0V | |
| ... | |
| 24,0V |
Wir erstellen das Diagramm per Software: csvplot.com ist ein einfaches Online-Programm zur Darstellung von Daten in einer Tabelle.
Wir erzeugen eine Datei Konstantstrom_2_Transistor.csv mit
Spannung in Volt , Strom in mA
0.5 , 0.001
und den weiteren Messwerten
Diese Datei laden wir auf csvplot.com.
Das folgende Diagramm wurde mit gnuplot erstellt:
Ab 2V ist der Strom unserer Konstantstromquelle ziemlich konstant. Das ist nicht perfekt, aber wenn wir bedenken, dass wir eine Änderung der Helligkeit einer LED erst bei einer Verdoppelung des Stroms erkennen, ist das völlig ausreichend. Zwischen 1,3V und 24V ändert sich der Strom von 10mA auf 19mA.
In einer Schaltung mit LEDs ist eine Versorgungsspannung nötig, die minimal um 1,3V höher sein muss als die LED-Spannung.
Bild 2 zeigt, wie der Strom von der Versorgungsspannung abhängt, wenn eine rote LED an der Konstantstromquelle betrieben wird. In diesem Fall ist eine minimale Spannung von 3,6V erforderlich.
Zum Vergleich dazu ist noch der Strom durch eine LED mit einem Vorwiderstand von 1kΩ dargestellt.
Einfach und gut
Bild 2 zeigt, dass unsere Konstantstromquelle nicht perfekt ist.
- Der Strom verdoppelt sich zwischen 1,5 (4V mit LED) und 24V.
- Wir werden diese Änderung jedoch kaum wahrnehmen,
- Siehe Eigenschaften von LEDs
- Die einfache Konstantstromquelle erfüllt ihren Zweck,
- die Helligkeit einer LED unabhängig von der Betriebsspannung konstant zu halten.
Regeln
Mit einer einfachen Konstantstromquelle (Bild 1) kann ein Strom durch LEDs erzeugt werden, der
- nur wenig von der Versorgungsspannung abhängt,
- sich nur wenig ändert, wenn mehrere LEDs in Reihe geschaltet sind.
- Um die minimale Versorgungsspannung zu erhalten, müssen die Flussspannungen aller LEDs plus die 1,3V für die minimale Spannung an der Konstantstromquelle addiert werden.
 |
Farbe | Anzahl | minimale Spannung |
| rot | 1 | 3V | |
| rot, gelb, grün | 2 | 5V | |
| rot, gelb, grün | 4 | 9V | |
| blau, weiß | 1 | 5V | |
| blau, weiß | 2 | 9V | |
| blau, weiß | 3 | 12V |
- Der Strom durch die LED wird mit dem Widerstand R2 eingestellt:
R2 = 0,6V / Iled
|
Strom | R2 |
| 2mA | 300Ω | |
| 5mA | 120Ω | |
| 10mA | 62Ω | |
| 20mA | 30Ω |
- Die meisten LEDs dürfen mit maximal 20mA belastet werden.
- Bei einer Versorgungsspannung über 24V kann der Transistor T2 überlastet werden.
- Die Konstantstromquelle ist nicht für parallel geschaltete LEDs geeignet.
-
Die Konstantstromquelle darf nicht verpolt werden:
I+ muss in Richtung Plus und I- in Richtung Minus angeschlossen werden.
-
Die LEDs dürfen zwischen
I+ und Plus und/oder zwischen I- und Minus angeschlossen werden.
- Es gibt auch andere Schaltungen für Konstantstromquellen für LEDs.
- Die Schaltung in Bild 1 hat den Vorteil, dass sie einfach ist und nur einen Spannungsabfall von 1,3V benötigt.
Das Projekt Konstantstromquelle für LEDs beschreibt den Aufbau.
Konstantstromquelle mit IC
Mit zwei Dioden und einem Transistor kann eine alternative Konstantstromquelle aufgebaut werden.
Bei der Konstantstromquelle in Bild 1 wird der Strom über einen Widerstand mit der Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q1 verglichen.
Bei der Konstantstromquelle in Bild 3 ist es ähnlich. Allerdings wird der Strom über einen Widerstand mit einer Spannung verglichen, der Flussspannung von zwei Dioden und der Basis-Emitter-Spannung des Transistors gebildet wird:
An der Basis des Transistors Q1 liegt die Flussspannung der beiden Dioden Ub = 1,2V. Am Emitter von Q1 liegt Ue = I * R2. Die Basis-Emitter-Spannung des Transistors ist also Ube = Ub - Ue. Uns interessiert jedoch die Spannung Ue, d.h. die Spannung am Messwiderstand R2.
Ue = Ub - Ube Ue = 1,2V - 0,6V Ue = 0,6V
Sie beträgt 0,6V, wie die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors oder die Flussspannung einer Diode.
Im Prinzip verhalten sich die Schaltungen in Bild 1 und Bild 3 gleich.
In Bild 1 ist der Transistor Q2 als Inverter benötigt. In Bild 3 werden zwei Dioden als Referenzspannung eingesetzt.
Die Konstantstromquelle in Bild 3 ist als IC in einen 4-poligen SMD-Gehäuse erhältlich: BCR401R und BCR402R. Die BCR401R und BCR402R enthalten allerdings einen PNP-Transistor.
- Anstelle der LED können auch mehrere LEDs eingesetzt werden.
Der Strom der BCR401R und BCR402R ist ohne externen Widerstand 10mA bzw. 20mA. Er kann mit dem externen Widerstand Rext eingestellt werden.
Die folgende Tabelle gibt den externen Widerstand Rext für verschiedene Ströme an. Umax ist die maximale Spannung zwischen den Anschlüssen Vs und Iout, ohne den BCR401R oder den BCR402R zu überlasten.
| BCR401R | BCR402R | ||
| Iout | Rext | Rext | Umax |
| 10mA | - | 18V | |
| 20mA | 82Ω | - | 15V |
| 40mA | 22Ω | 39Ω | 8V |
| 60mA | 15Ω | 18Ω | 5V |
Die ICs BCR401R und BCR402R werden in einem 4poligen SOT-143-Gehäuse geliefert.
Konstantstrom für LED
- Nur ein IC wird benötigt.
Wie es geht, zeigt das Rezept Einfache Konstantstromquelle für LEDs.