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 bis zu 20 V betrachtet. Sie erzeugt einen einstellbaren Konstantstrom von bis zu 20 mA. Die Spannungsquelle muss mindestens 1,3 V 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 4,2 V (voll geladen) bis 3,0 V (minimal zulässige Entladespannung).
- Eine weiße LED hat eine Spannung von ca. 3,0 V.
- 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 20 mA sind das 60 Ω.
Bei der mittleren Spannung des LiPo-Akkus von 3,6 V fließen dann nur noch 10 mA, bei 3,0 V kein Strom mehr.
Kennlinien von LEDs
Die Spannung des LiPo-Akkus liegt mit 4,2 V bis 3,0 V 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 4,2 V am LiPo-Akku 20 mA in die LED fließen lässt (rote Kennlinie: 4,2 V, 0 mA). Die Flussspannung der LED beträgt dann 3,2 V, also etwas höher als unsere erste Annahme von 3,0 V. Der Widerstand ist also (4,2 V - 3,2 V) / 20 mA = 50 Ω.
Wenn die Spannung am LiPo-Akku sinkt, verschiebt sich die Widerstandskennlinie nach links:
- (magenta: 4,0 V, 0 mA) Die Kennlinie der Diode wird bei 17,5 mA gekreuzt.
- (violett: 3,6 V, 0 mA) Die Kennlinie der Diode wird bei 12 mA gekreuzt. (3,6 V ist die mittlere Spannung eines LiPo-Akkus.)
- (türkis: 3,0 V, 0 mA) Die Kennlinie der Diode wird bei 5 mA gekreuzt.
Entgegen unserer ersten Annahme fließt bei einer Spannung von 3 V immer noch ein Strom von 5 mA durch die LED. Bei 3 V ist der Strom nur noch ein Viertel so groß wie bei 4,2 V. Sie leuchtet zwar, aber deutlich schwächer als bei 4,2 V.
Leistungs-LED
Wir wollen eine Leistungs-LED an einem LiPo-Akku betreiben.
Die LED NVSL219C ist für Ströme bis 700 mA geeignet und hat bei einer Flussspannung von etwa 3,0 V eine Leistung von 2 W.
Die LED NVSL219C hat eine Flussspannung von 2,92 V bei 700 mA und 2,80 V bei 300 mA. Der differenzielle Widerstand beträgt bei 700 mA 0,23 Ω.
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 3 V und 4,2 V ist der Strom nicht konstant.
Die grüne Kennlinie beschreibt das Verhalten einer LED an der Konstantstromquelle. Bei 4,2 V fließen etwa 12 mA durch die LED. Bei 3 V sind es noch 7 mA. 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 2 W-LED NVSL219C mit 700 mA ausgelegt.
Die LED1 wird von der Konstantstromquelle versorgt. LED2 ist zum Vergleich mit einem Vorwiderstand versehen.
In der Konstantstromquelle in Bild 5 fließen 700 mA durch die LED und R1. Dadurch fällt an R1 eine Spannung von 28 mV ab. Wenn der MOSFET 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 700 mA (magenta). Mit der Konstantstromquelle wird bei einer Betriebsspannung von 3,2 V bereits ein Strom von 600 mA erreicht. Bei 3,0 V fließen immer noch 400 mA. Unter 3,2 V fällt der Strom durch die LED ab, da ihre Flussspannung knapp unter 3,0 V liegt. Der Strom durch die LED ist bei 3,0 V um 38 % geringer als bei 4,2 V.
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 4,2 V 700 mA. Bei 3,0 V sind es nur 160 mA.
Eine Konstantstromquelle für 300 mA beschreibt die blaue Kennlinie. Bei 300 mA, also etwa 1 W an der LED, ändert sich der Strom durch die LED bei einer Betriebsspannung zwischen 4,2 V und 3,0 V nur um 11 %.
Eine LED mit einem Vorwiderstand für 300 mA zeigt die orange Gerade.
Für kleinere Ströme kann der MOSFET IRLML6402 verwendet werden.
Bild 7 zeigt die Kennlinien für
- eine weiße 3 mm-LED bei 20 mA,
- die NVSL219C bei 50 mA
- die NVSL219C bei 100 mA
Für die drei Ströme sind auch die Kennlinien für die entsprechenden Vorwiderstände dargestellt.
- Für eine 20 mA-LED an einem LiPo-Akku ist die Konstantstromquelle mit IRLML6402 ideal.
- Für Ströme über 50 mA sollte der MOSFET IRF7410 in der Konstantstromquelle verwendet werden.
Konstantstromquelle aufbauen
Die Konstantstromquelle sollte um einen Tiefentladeschutz für den LiPo-Akku erweitert werden.
Der Komparator MCP65R41T-1202E enthält eine Referenzspannung von 1,21 V mit 2 % Toleranz.
Für R1 und R2 wurden Werte unter 1 MΩ gewählt, da die SMD-Version einfacher zu beschaffen ist.
Der Widerstand R3 wurde auf 330 kΩ geändert. Die Spannung an R1x ist damit 20 mV. 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 0,1 Ω liefert 250 mA. Die folgende Tabelle zeigt die Widerstände für relevante Ströme.
| R1x | ILed | |
| R12 + R13 | 0,2 Ω | 100 mA |
| R11 | 0,1 Ω | 250 mA |
| R11 || R12 | 0,05 Ω | 500 mA |
| R11 || R12 || R13 | 0,033 Ω | 750 mA |
| R11 || R12 + R13 | 0,067 Ω | 300 mA |
Die Widerstände R11 bis R14 sind immer 0,1 Ω.
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 0,22 Ω 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 MCP65R41T-1202E 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 2,54 mm-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 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 von R1x wird zunächst ein Widerstand von 10 Ω eingesetzt. Wenn der Aufbau fehlerfrei ist, sollten 2 mA 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 Tiefentladeschutz eingebaut ist, sollte zunächst mit einer elektronischen Sicherung und 20 mA gearbeitet werden, weil der MCP65R41T-1202E durch hohe Ströme leicht zerstört werden kann.
Die Funktion des Tiefentladeschutzes kann überprüft werden, indem die Versorgungsspannung verändert wird. Bei ausreichend hoher Versorgungsspannung liegt am Anschluss 1 des MCP65R41T-1202E 0 V an. Bei Unterspannung liegt dort etwa die Versorgungsspannung an.
Prototyp
Der Prototyp erbrachte die erwarteten Ergebnisse.
Zwischen 4,2 V und 3,0 V ändert sich der Strom in der LED von 510 mA auf 460 mA bei 3 V. Bei 3,02 V schaltet der Tiefentladeschutz die LED aus, bei 3,21 V wieder ein. Im ausgeschalteten Zustand fließt nur 15 µA.
Die Anschlüsse des IRF7410 erwärmten sich bei 4,2 V und 500 mA auf ca. 65 °C. Das verkraftet der IRF7410 problemlos.
- Und tatsächlich, bei einer verpolten Spannungsquelle fließt kein Strom.
Der MCP65R41T-1202E 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 diese Zellen geeignet sind.
- Es gibt fertige Lademodule für wenig Geld.
- LiPo-Akkus mit höherer Spannung, also mehrere Zellen in Reihe, dürfen nicht einfach mit einem passenden Ladestrom und Überwachung der Ladeschlussspannung geladen werden,
- sondern die Ladeschlussspannung jeder einzelnen Zelle muss separat überwacht werden.
- Hierfür 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 %).
- Hochgenaue Widerstände müssen 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 1.0 A von Reichelt für 1,30 € mit USB-Anschluss.