Thema: 3d Stern - LED Beleuchtung - Frage zur Schaltung

Hallo ihr,

ich möchte so einen 3d Stern mittels LEDs beleuchten:


Dabei sollen 20 weiße LEDs in die Spitzen und 12 blaue LEDs in die Zwischenräume gesetzt werden.

Nun ist die Frage wie verdrahtet bzw schaltet man die LEDs?
Ich habe dazu folgende zwei "Berechnungen" angestellt

LED - 3,2 bis 3,4V - 20mA
(zur Berechnung 3,3V verwendet)

für 24V
7 LED in Reihe: 23,1V, 20mA -> 45 Ohm Widerstand
6 LED in Reihe: 19,8V, 20mA -> 210 Ohm Widerstand

2x 7er LED und 3x 6er LED parallel -> 100mA bzw 0,1A

für 12V
3 LED in Reihe: 9,9V, 20mA -> 105 Ohm Widerstand
2 LED in Reihe: 6,6V, 20mA -> 270 Ohm Widerstand

10x 3er LED und 1x 2er LED parallel -> 220mA bzw 0,22A


Sind die Rechnungen soweit erst einmal korrekt? *gg*
Welche der beiden Variationen würdet ihr empfehlen und warum?

Gruß,
Kharim

Alles Falsch ;-)
Also Leds verhalten sich nicht wie Widerstände sondern haben eine Kennlinie, welche auch noch Temperaturabhängig ist.
Wenn Du keine Vorwiderstände verwendest, läuft dir der Strom durch die Leds davon, d.h. die Forward-Spannung wird immer kleiner, bzw. der Strom immer höher ....
Mit Vorwiderständen gehts (billig), aber ineffizient - Du verheizt Leistung an den Vorwiderständen.

Leds werden somit am Besten mit einer Konstantstromquelle versorgt.
Entweder Du verwendest fertige Konstantstromquellen, oder wenn Du so etwas selber Bauen möchtest,
schau bei Power Integrations, LNK304 .... LNK306 ....
Damit kannst Du mit wenigen Bauteilen ein effizientes Netzteil bauen das Deine LEDs direkt von 230V herab versorgen kann.
Achtung - keine Potentialtrennung bei dieser Variante, daher muss die Lampe entsprechend aufgebaut werden ....

Ansonsten gibt es fertige Konstantstromquellen hier : Strom und Spannung | im führenden LED-Shop von LUMITRONIX
oder hier : LED-Treiber bei reichelt elektronik

und sicherlich bei vielen anderen Firmen auch noch ....

Also als Netzteil wollte ich so etwas hier verwenden:

LED-Shop-Netzteil stabilisiert - 24V DC 1A 24Watt

Und klar nutze ich Vorwiderstände!!
Die Ohm-Werte hinter den Angaben der LED Reihe ist der Vorwiderstand für die Reihe.....

Hallo
Deine Rechnung stimmt, allerdings würde ich das mit den 7 Leds pro Zweig nicht machen, weil die Durchlassspannungen auch Toleranzen hat und es besser ist, wenn man noch wenigstens 1-2V über dem Widerstand hat. Außerdem würde ich gerade bei so einer Anwendung mir überlegen, ob ich die LEDs bis zur Kotzgrenze belaste. Mit 10-15 mA sind die nur unwesentlich dunkler halten aber wahrscheinlich bedeutend länger.

@Nowotny

Mit Vorwiderständen gehts (billig), aber ineffizient - Du verheizt Leistung an den Vorwiderständen.

Leds werden somit am Besten mit einer Konstantstromquelle versorgt.

Eine Lineare Konstantstromquelle verheizt genauso viel Energie wie ein Vorwiderstand und ist daher bei einer stabilisierten Spannung völlig überflüssig

Entweder Du verwendest fertige Konstantstromquellen, oder wenn Du so etwas selber Bauen möchtest,
schau bei Power Integrations, LNK304 .... LNK306 ....
Damit kannst Du mit wenigen Bauteilen ein effizientes Netzteil bauen das Deine LEDs direkt von 230V herab versorgen kann.
Achtung - keine Potentialtrennung bei dieser Variante, daher muss die Lampe entsprechend aufgebaut werden ....

Ich bin mal gespannt, wie du einen Weihnachtsstern aus Papier mit 32 LEDs ausrüsten willst,sodas nachher alles Schutzisoliert ist. So ein Tip ist schon ziemlich daneben.

@bigdie - es müssen ja nicht 230V sein, mit dem LNK304 ... 306 kannst auch z-Bsp. von 40V weg arbeiten. Dies ist ein Schaltnetzteil (Buck Konverter glaub ich) und somit verheizt Du weniger Leistung.
Gerade dieser Baustein wird für die Versorgung von Leds sehr gerne verwendet - viele professionelle LED Leuchten haben diesen als Netzteil ....
aber mit dem Papierstern bei 230V hast natürlich recht ;-)

Zitat von bigdie

Eine Lineare Konstantstromquelle verheizt genauso viel Energie wie ein Vorwiderstand und ist daher bei einer stabilisierten Spannung völlig überflüssig

--> das ist quatsch. Es ändert sich nicht die Versorgung, sondern die Durchlaßspannung der Dioden durch die Eigenerwärmung, deswegen sind Konstantstromquellen sehr sinnvoll.

Du hängst einfach so viele LED in Serie bis die 24V fast erreicht sind - dazwischen kommt die Konstantstromquelle (die eine Ausregelreserve von ein paar Volt benötigt) - diese begrenzt dann den Strom auf den (vor-)eingestellten Wert. Somit wird auch wenig Leistung an der (linearen) Stromquelle verbraten.

also - 6 Leds in Reihe, ca. 19.8 Volt. --> Ausregelreserve Stromquelle : 4.2 Volt, sollte passen.

Wenn Du hier einen Vorwiderstand verwenden wolltest, so wäre der Innenwiderstand der Stromquelle sehr niedrig.
Ich rechne hier mal mit 10mA :
R=U/I = 4.2V/10mA= 420 Ohm.
P=U²/R = 0,042 Watt

Wenn sich nun die Forward Spannung der Dioden durch die Erwärmung ändert , so ändert sich jedoch der Strom und die Helligkeit entsprechend. Daher gibt es ja diese Konstantstromquellen.

Wenn Du ein Sparefroh bist, kannst Du Dir eine Stromquelle aus einem LM317 + Widerstand selber basteln. Oder mit einem J-Fet + Widerstand ....

bigdie hat recht : 20mA ist schon ganz schön saftig. Wenn das Ding sehr hell sein soll, so verwende ultra-bright LEDs.

10mA reicht meiner Meinung nach vollkommen aus - daher empfehle ich Dir folgende Stromquelle :

http://reichelt-elektronik.at/LED-Treiber/LED-SMD-KSQ/index.html?;ACTION=3;LA=2;ARTICLE=32857;GROUPID=51 43

Die von Dir angenommene Forward-Spannung von 3.3V kommt mir sehr hoch vor.
Ich habe grad im Datenblatt nachgeschlagen - die Forward Voltage einer Standard 5mm grünen Leuchtdiode ist bei 10mA ca. 1.8 Volt.

Somit kannst Du sicherlich 10-11 Leds pro Stromquelle an 24V betreiben, abhängig von der Kennlinie der Dioden ...

Zitat von bigdie

Hallo
Deine Rechnung stimmt, allerdings würde ich das mit den 7 Leds pro Zweig nicht machen, weil die Durchlassspannungen auch Toleranzen hat und es besser ist, wenn man noch wenigstens 1-2V über dem Widerstand hat. Außerdem würde ich gerade bei so einer Anwendung mir überlegen, ob ich die LEDs bis zur Kotzgrenze belaste. Mit 10-15 mA sind die nur unwesentlich dunkler halten aber wahrscheinlich bedeutend länger.

hm...ich werd die LEDs hinter so einen Dimmer, speziell für LEDs setzen...somit werden sie nicht unbedingt auf 100% laufen...das sollte dann OK sein oder?

Zitat von rnowotny

Die von Dir angenommene Forward-Spannung von 3.3V kommt mir sehr hoch vor.
Ich habe grad im Datenblatt nachgeschlagen - die Forward Voltage einer Standard 5mm grünen Leuchtdiode ist bei 10mA ca. 1.8 Volt.

Es handelt sich hierbei um 1,8mm LEDs, die vom Hersteller/Händler mit eben der Spannung (s.o.) angegeben werden....

Die von Dir angenommene Forward-Spannung von 3.3V kommt mir sehr hoch vor.
Ich habe grad im Datenblatt nachgeschlagen - die Forward Voltage einer Standard 5mm grünen Leuchtdiode ist bei 10mA ca. 1.8 Volt.

Du solltest mal Blaue und weiße LEDs anschauen, die liegen immer bei ca.3V
Im übrigen errechnet sich die Verlustleistung einer Konstantstromquelle aus UxI genau wie bei einem Widerstand. weiso soll also die Verlustleistung bei einem Widerstand größer sein. Das Gegenteil ist der Fall, wenn man den Widerstand so klein auslegt, wie in Zeile 1 seiner Rechnung, dort rechnet er mit 0,9V. Die meisten Konstantstromquellen brauchen mindestens 2V, wenn du mit einem LM317anfängst, der braucht gar 3 V also die 3fache. Du musst also in diesem Fall 1 LED weniger nehmen. macht 0,084W Verlustleistung. Mit Widerstand verbrätst du 0,018W. In dem Fall verbrät deine Konstantstromquelle also 4,66 mal so viel wie der Widerstand.
Konstantstromquellen sind Im Fahrzeug oder bei unstabiler Spannung Ok aner an einem stabilisierten Netzteil überflüssig.

@bigdie : willst mich ärgern gell ? Erzähl mir nix über Hardwaredesign ...

Also - zuerst lies mal : http://www.ledsmagazine.com/features/4/8/1

Besonders "Thermal Runaway" solltest Du Dir mal zu Gemüte führen. (Figure 2)
Gewünscht ist ein möglich Konstanter Strom, damit die LEDs gleich hell leuchten.
Dazu bedient man sich einer Stromquelle (=hoher Innenwiderstand) und nicht einer Spannungsquelle (=niedriger Innenwiderstand).
Die einfachste Variante sich eine (nicht perfekte) Stromquelle zu basteln ist ein Vorwiderstand.
Das geht so lange gut, als der Widerstand relativ hoch ist, sprich am Widerstand deutlich mehr Spannung abfällt als an den Dioden.

In der besprochenen Schaltung (6-7 Leds in Serie + kleiner Vorwiderstand) ist dies nicht der Fall und der Strom läuft Dir thermisch davon.
Insbesondere dann wenn er mit 20mA heizt ...

Berechnen wir hier ein kleines Beispiel :

Sagen wir, die Leuchtdiode hat Uf von 3.3V bei 25°C (hier haste recht, weisse Led haben hohe Uf)
bei 60°C ist die Uf nur mehr 97% also 3.201 V (siehe Figure 2)

Betrachten wir mal EINE Led, an 24V mit Vorwiderstand, 20mA@25°C :

R=U/I = (24-3.3)/0,020 = 1035 Ohm, also nehmen wir mal 1k.
I=U/R=(24-3.3)/1000=0,0207 = 20,7mA@25°C

jetzt bei 60°C :
Uf=3,201V
If=U/R=(24-3.201)/1000 = 0,20799 = 20,8mA@60°C
so weit so gut - der hohe Vorwiderstand hat uns eine hinreichend gute Stromquelle abgegeben - der Strom ändert sich nur minimal.

Aber wie sieht es nun bei 7 Leds in Serie aus ?

bei 25°C :
UF = 7 x 3.3V = 23,1V@25°C
R=U/I =(24-23,1)/0,02 = 45R
IF=20mA

bei 60°C :
UF = 7 x 3,201V = 22.407V@60°C
IF=U/R=(24-22.407)/45=0,0354A=35,4mA !!!!!!

Der Strom ist durch die thermische Drift auf 35,4mA gestiegen ! Der kleine Vorwiderstand hat uns hier
nicht den gewünschten Effekt gebracht.
Es ist zu Erwarten das bei diesem kleinen Widerstand die Temperatur nun noch weiter steigt und die Uf weiter fällt ....
bis ein Bauteil versagt ....

Hier nochmal für 6 Leds :
bei 25°C :
UF = 6 x 3.3V = 19.8V@25°C
R=U/I =(24-19.8)/0,02 = 205R
IF=20mA

bei 60°C :
UF = 6 x 3,201V = 19.206V@60°C
IF=U/R=(24-19,206)/205=0,0234 = 23,4mA - der Strom ist immerhin um 15% gestiegen !

Selbstverständlich fällt an einer Konstantstromquelle Spannung ab, und natürlich wird
an diesem Längsregler Leistung verbraten - wenn diese mit Längsregler aufgebaut ist - eben P=U*I
- aber immer noch besser als abgebrannte Leds oder Vorwiderstände nicht wahr ?

Oder man schaltet eben nur 4-5 Leds in Serie um einen hinreichend großen Vorwiderstand zu erhalten,
damit sich die Stromänderung durch die thermischen Drift in Grenzen hält - dies bedingt aber mehr
Vorwiderstände und mehr Verkabelungsaufwand - meine erste Wahl wäre somit noch immer eine Stromquelle.

Zitat von bigdie

Konstantstromquellen sind Im Fahrzeug oder bei unstabiler Spannung Ok aner an einem stabilisierten Netzteil überflüssig.

Das gilt nur unter der Randbedingung eines hinreichend hohen Vorwiderstandes (sprich wenige LED in Serie).
Nach Deiner Theorie sind die ganzen Konstantstromquellen am LED Markt scheinbar überflüssig.
Das haben einige Hersteller von LED Rückleuchten im KFZ Bereich scheinbar auch so gesehen - dafür
sterben die LEDs (hoffentlich nach der Garantiezeit) den Hitzetod ....

Und hier schließt sich der Kreis - um eine hinreichend gute Stromquelle zu erhalten musst Du hochohmigere Widerstände verwenden.
sonst läuft Dir der Strom davon, D.h. Du kannst nur weniger LEDs in Serie schalten.
Auf diesem Weg verheizt Du in Summe mehr Leistung an den Widerständen als an einer Stromquelle, da hier die
Ausregelreserve kleiner ausfallen kann und Du mehr LEDs in Serie schalten kannst.
Wenn diese Stromquelle geschalten ist (eben die Anfangs angesprochenen LNK....) so können die Verluste nochmals herabgesetzt werden -
dies zahlt sich bei sehr hoher Versorgungsspannung (z.Bsp. von 230V herunter ... ) aus, oder bei Anwendungen wo Strom sparen wichtig ist (Taucherlampen zum Beispiel, wenn diese nicht mit Xenonlampen bestückt sind ... )

Da hast du ja sehr schön gerechtnet.
1. Hab ich ja weiter oben schon geschrieben, das 7 Leds zu viel und der Widerstand zu klein ist.
2. Hab ich noch nie eine normale LED gesehen, die 60° heis wird, von daher ist das eine Milchmädchenrechnung
3. hab ich ihm empfohlen den Strom auf 10-15mA zu reduzieren dann hat man nähmlich noch Reserven und
4 Schau dir mal obiges Bild an, Es geht um einen kleinen Papierweihnachtsstern, wo in aller Welt willst du bitteschön 6 Konstantstromquellen da unterbringen?
5 Du solltest mal so eine China Led Lampe mit 230V Glühlampensockel aufschrauben, da ist neben den Leds ein Widerstand ein Brückengleichrichter und ein Kondensator in Reihe davor nix Konstantstrom und die Teile gehen Ebenso sämtliche Led Lichtschläusche Led Stripes usw.

Zitat von bigdie

Da hast du ja sehr schön gerechtnet.
1. Hab ich ja weiter oben schon geschrieben, das 7 Leds zu viel und der Widerstand zu klein ist.
2. Hab ich noch nie eine normale LED gesehen, die 60° heis wird, von daher ist das eine Milchmädchenrechnung
3. hab ich ihm empfohlen den Strom auf 10-15mA zu reduzieren dann hat man nähmlich noch Reserven und
4 Schau dir mal obiges Bild an, Es geht um einen kleinen Papierweihnachtsstern, wo in aller Welt willst du bitteschön 6 Konstantstromquellen da unterbringen?
5 Du solltest mal so eine China Led Lampe mit 230V Glühlampensockel aufschrauben, da ist neben den Leds ein Widerstand ein Brückengleichrichter und ein Kondensator in Reihe davor nix Konstantstrom und die Teile gehen Ebenso sämtliche Led Lichtschläusche Led Stripes usw.

1 - gell, da bin ich aber sehr stolz drauf
2 - ja mit den Fingern kommt man auch so schlecht an die Sperrschicht um die es hier geht
3 - Reserven ja, gleiche und konstante Leuchtstärke nein.
4 - die sind so groß wie ein Fingernagel des kleinen Fingers ...
5 - ja, die Böller gehen dann auch ein deswegen. Gute LED Lampen verwenden Konstantstromquellen.
siehe Lumitronix usw ....
mir ist auch nicht wichtig das ich Recht habe, sondern nur das Du unrecht hast ;-)
Du siehst das alles ziemlich unlocker kommt mir vor.