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Eine einfache Schaltung für eine LED-Lampe


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Eine LED-Lampe im Selbstbau

Infos zu LEDs gibt es bei Daten von LEDs. Einsteiger sollten sich zunächst im Praktikum Schaltungen mit LEDs mit LEDs vertraut machen.

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Bild 4: Schaltung mit drei LED in Reihe

Durch einen Widerstand entstehen Verluste, die nicht zur Beleuchtung beitragen. Bei 3 weißen LEDs an 12V ist mit einem Verlust von 25% zu rechnen. Der 1kΩ Widerstand ist die beste Wahl für Anzeigezwecke. Für Beleuchtungszwecke werden die LEDs stärker belastet. Für drei weiße LEDs bei Uv=12V und I=20mA Strom sind 150Ω ideal, wie eine kurze Rechnung zeigt.

Ur = Uv  - 3 * Uled
Ur = 12V - 3 * 3,0V
Ur = 3V
R  = Ur / I
R  = 3V / 20mA = 3 / 0,02A
R  = 150Ω
Attention work

Mit dem Tool LED können Vorwiderstände für LED-Schaltungen einfach berechnet werden.

Viele LEDs

Attention pin

Keine Leistungs-LEDs

Wir beschäftigen uns hier nur mit kleinen LEDs geringer Leistung. Sie haben eine Leistung von 0,06W. Sie haben eine Spannung zwischen 1,8V und 3,2V und müssen mit einem Vorwiderstand betrieben werden.

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Unsere LEDs sind 3mm groß
  • LEDs mit höherer Leistung von 1W und mehr
  • oder für höhere Spannungen von z.B. 12V
  • oder für höhere Ströme von z.B. 350mA
  • sind hier nicht gemeint.

Sie werden meistens nicht mit einem Vorwiderstand betrieben.

Sie müssen oft mit speziellen Stromversorgungen betrieben werden.

Viele LEDs können einfach durch Parallelschaltung mehrerer in Reihe geschalteter Gruppen verbunden werden. Dies ist die übliche Schaltung in den überall erhältlichen LED-Streifen. Sie werden meistens mit 12V betrieben. Die LED-Streifen enthalten LEDs in SMD-Gehäusen. Auch SMD-Widerstände werden verwendet. Die LED-Streifen können oft auf 3 LEDs gekürzt werden.

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Bild 4: Schaltung mit 9 weißen LED

Die obige Schaltung verbraucht 0,72W.

Drei weiße LEDs in einem 3mm-Gehäuse bei 12V haben eine Leistung von etwa 200mW = 0,2W. Die Gesamtleistung ist 0,24W. Der Vorwiderstand verbraucht 0,04W. Der Strom für einen Strang beträgt 20mA. Werden mehrere Stränge mit je 3 LEDs parallel geschaltet, muss die Stromversorgung für jeden Strang 20mA oder 0,24W liefern. Moderne Steckernetzteile liefern bei 12V mindestens 3W. Wir könnten also 3W/0,24W > 12 parallele Stränge, d.h. 36 LEDs an einem solchen Steckernetzteil betreiben. Das ist eine brauchbare Schreibtischlampe.

Aufbau

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Aufbau auf Lochrasterplatine

Dieses Projekt wird auf einer Lochrasterplatine aufgebaut.

Wie es geht, beschreibt dieses Praktikum.

Wir bauen für eine Schreibtischlampe die Schaltung von Bild 4 viermal auf.

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Bild 5: LED-Lampe mit 36 weißen 3mm-LEDs

Die Darstellung des Layouts wird in Darstellung in KiCAD ausführlich beschrieben.

Das obige Layout zeigt eine LED-Beleuchtung mit 36 weißen 3mm-LEDs und 12 Widerständen mit je 110Ω. Das Ganze kann auf einer Lochrasterplatine aufgebaut werden. Die Lötpunkte werden entsprechend der grünen Leitungen auf der Unterseite verbunden. Die gelben Verbindungen werden mit isolierten Drähten auf der Oberseite hergestellt.

Um eine höhere Helligkeit zu erreichen, kann die Platine aus Bild 5 zweifach aufgebaut werden. Das Netzgerät muss dann 24 * 0,24W = 5,76W (am besten 12V, 0,5A, 6W) liefern können. Mehr lohnt sich nicht, weil dann 4 Platinen benötigt werden, um eine merklich höhere Helligkeit zu erreichen

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Bild 6: LED-Lampe von oben in 3D

Die sechs Drahtbrücken sind gut zu erkennen.

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Bild 7: LED-Lampe von unten in 3D

Mechanik der Lampe

Ein Amateur möchte seine Arbeit präsentieren. Wir bauen die kleine Platine nicht ein, sondern decken sie oben - das ist die Lötseite - mit einer Platte aus Kunststoff oder Plexiglas ab. Daran können wir den Arm der Lampe befestigen.

Der Fuß benötigt ein gewisses Gewicht. Ausprobieren - Versuch macht klug.

Das Netzteil

Für den Betrieb brauchen wir ein Steckernetzteil mit 12V. Solche Netzteile gibt es für ein paar Euro fünfzig. Sie haben ein Anschlusskabel mit einem Stecker auf der Ausgangsseite. Diesen Stecker schneiden wir einfach ab. Wir bestimmen die Polarität der Anschlussleitungen und löten die Anschlüsse an die Platine. Die Polarität können wir mit einem Messgerät oder mit unserem Polaritätsprüfer feststellen.

Attention attention Die Polarität des angeschlossenen Netzgeräts muss beachtet werden. Falsche Polung kann die LEDs zerstören.

Das Kabel muss noch am Lampenkopf befestigt sein, damit die Lötstellen nicht abreißen.

Dimmer

Im Praktikum LED Dimmer wurde ein Dimmer für LED vorgestellt. Die Helligkeit einer LED kann damit in drei Stufen gedimmt und natürlich ausgeschaltet werden.

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Bild 6: Schaltung des LED-Dimmers

Der LED-Dimmer hat 4 Stufen. In Stufe 0 sind alle LEDs aus, in Stufe 3 voll eingeschaltet. Die Stufen werden mit einem Taster zyklisch umgeschaltet. Beim Einschalten sind alle LEDs aus. Sollen beim Einschalten alle LEDs voll leuchten sein, müssen nur die Anschlüsse L1 und L3 vertauscht werden.

Die Schaltung kann mit ein paar MOSFETs als Schalter an unsere LED-Beleuchtung mit 36 LEDs angepasst werden.

Die Vorwiderstände müssen natürlich neu berechnet werden. Für unsere Lampe werden zwölf Stränge mit je 150Ω Widerständen parallel geschaltet. Die LED-Beleuchtung hat also einen Vorwiderstand von 12,5Ω . Bei voller Helligkeit (L3) wird die Lampe voll eingeschaltet. Bei mittlerer Helligkeit soll der halbe Strom fließen. Der Vorwiderstand muss verdoppelt werden. Wir müssen einen zusätzlichen Widerstand von 12,5Ω einschalten. Wir nehmen 12Ω. Bei geringster Helligkeit muss der Strom wieder halbiert werden. Der gesamte Vorwiderstand muss 4*12,5Ω=50Ω betragen, also 50Ω-12,5Ω=37,6Ω zusätzlich eingeschaltet werden. Wir nehmen 36Ω.

Der LED-Dimmer muss mit 5V betrieben werden. Wir verwenden den Spannungsregler LM78L05.

LED-Dimmer-12V.png
Bild 6: LED-Lampe mit 36 LEDs und Stufendimmer

LED-Lampe für 24V

Hier wird eine Lampe für 24V mit etwa 5W vorgestellt.

Sie besteht aus 12 LED-Strängen mit je 7 LEDs und einem Vorwiderstand.

Der Dimmer ist im Prinzip wie der für 12V aufgebaut. Allerdings kann der IRLM6244 nicht mehr als Schalter verwendet werden, da er nur für Spannungen bis 20V geeignet ist. Die IRLML6244 wurden durch IRLML6346 ersetzt. Der IRLM6346 kann mit Drain-Source-Spannungen bis zu 30V betrieben werden.

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Bild 7: LED-Lampe mit 84 LEDs und Stufendimmer

Eine LED-Lampe im Selbstbau (4 x 2W)

Vier Leistungs-LEDs werden an einer 12V Spannung betrieben.

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Bild X1: Flussspannung der LED NVSL219C
Konstantstrom-LT3080.png
Eine NVSL219C an Konstantstromquelle mit LT3080

Drei LED in Reihe

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Bild X2: Konstantstromquelle für drei Power-LED in Reihe mit LT3080 an 12V
Konstantstrom-12V.png
Kennlinien der Konstantstromquelle für drei Power-LED in Reihe mit LT3080 an 12V

Die Spannung zwischen der Kennlinie der drei LEDs und der Ausgangsspannung der Konstantstromquelle zeigt den Spannungsabfall am LT3080. Bei 600mA beträgt der Spannungsabfall am LT3080 1,56V. Bei 300mA sind es 1,4V oder 1,58V.

Messungen (Tablelle 1):

ILED / mA 3*ULED / V ULED / V 12 - 3*ULED / V PLED / W Preg / W η / %
300 8.34 2.78 3.66 0.834 1.098 69.5
700 8.77 2.92 3.23 2.044 2.261 73.1

η ist der Wirkungsgrad.

Es zeigt sich, dass der LT3080 eine Drop-Out-Spannung von etwa 1,5V hat, wenn die Anschlüsse IN und Vcontrol gemeinsam an der gleichen Spannung liegen.

Vier LED in Reihe

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Bild X3: Schaltung für einen Konstantstromregler für 4 LED an 12V

Die Widerstände R5 und R6 sind SMD.

Die Tabelle 2 wurde aus Tabell2 1 berechnet.

ILED / mA 4*ULED / V ULED / V Uv / V 12 - 3*ULED / V PLED / W Preg / W η / %
300 11.12 2.78 12.0 0.88 0.83 0.26 92.7
700 11.69 2.92 12.0 0.31 2.04 0.22 97.4
700 11.40 2.85 13.2 1.80 2.00 1.26 86.4
700 10.00 2.50 13.2 3.20 1.75 2.24 75.8

Weitere Messungen

Vier LED mit 700mA

kalt: 11,6V

warm: 11,4V

heiß laut Datenblatt 10,0V bei 120°C

Anmerkungen:

Die Leistung am MOSFET könnte über eine Kombination aus zwei 1N4148 und einem Widerstand sowie einem 3Ω Widerstand begrenzt werden. Das bringt nichts, wenn die maximale Eingangsspannung bekannt ist und unter allen Bedingungen (hohe Eingangsspannung, hohe Temperatur der LEDs) 700mA fließen sollen.

Bei 13,2V Eingangsspannung und 10V LED-Spannung fallen 2,17W am MOSFET ab.