Oh, oh, oh. Nachsicht ist immer schlechter als Vorraussicht :(
Christian, warum tust Du so geheimniskrämerisch, wenn ich Dich am Ende des letzten Threads zum Kondensatornetzteil frage, wofür das denn überhaupt sein soll.
Daß es so nicht gehen kann ist jetzt klar, wenn Du sagst, daß Du damit eine 100er LED Kettenschaltung betreiben willst. Aber Respekt, daß Du sowas baust. Nachgedacht habe ich über 100 LEDs in Reihe auch schon mal, aber auf den daraus resultierenden Lötaufwand hatte ich nie Lust, vom Regelungsproblem mal abgesehen. Weil ich über die Netzteil- bzw. Regelungsfrage schon mal nachgedacht hatte, will ich hier mal meine Gedanken dazu erläutern.
Ich zitiere mal kunterbunt aus den beiden Threads:
Ich habe 100 LEDs a 3,2 Volt in Reihe. Üblicher betriebsstrom 20mA.
...
Es fängt bei 5mA bei 18 Grad Raumtemperatur an. Spannung 301 Volt. Nun dauert es lange
Zeit bis die Volle Helligkeit erreicht ist. Später gehts dann bis zu 23mA bei 298 Volt.
...
Oder mach ich da was falsch?
Falsch machen, ja, das ist doch wohl ziemlich offensichtlich ;)
Bezüglich der Nennspannung: 100x3,2V = 320 V. Wenn bei die Spannung der LED-Kette unter den 320V liegt, dann ist auch die Stromaufnahme kleiner. Erheblich kleiner. Wieviel genau geht aus dem Datenblatt der LED hervor. (Uf/IF - Diagramm). Kalt 5mA bei 301 V kommt hin.
Warum versorgst Du die LED mit 301V und nicht mit 320V ? ... Ach so, ja, das gibt dein "Netzteil" ja nicht her. Wenn Du die LEDs nicht mit Nennspannung versorgst (320V) woher soll dann die Nennstromaufnahme kommen ?
Theorie am Gleichrichter:
Ahem, hatte ich nicht auf den Unterschied zwischen Leerlaufspannung und Lastspannung des Netzteiles hingewiesen ? Bei 230V Netzspannung ist die Scheitelspannung am Kondensator 230V·√2 - 2·Uf = 325,26 V - 2·Uf, wenn Uf die Forwärtsspannung der Gleichrichterdioden ist.
Das ist die Leerlaufspannung! Unter Last sinkt sie -abhängig von der Größe des Glättungskondensators- im Minimalfalle bis auf die effektive Eingangsspannung ab. Und das wenn Du keinen 220 Ohm Serienwiderstand einbaust. Mit dem in Serie sinkt die Ausgangsspannung wesentlich stärker. In Deinem Fall, wenn die LED-Kette ordentlich Strom zieht, bis auf 298V bei 23mA
Als Versorgung dient ein Gleichrichter, Kondensator 10 microFarad/400V mit 4 Zenerdioden 100/100/62/33
1,3W. Vor dem Gleichrichter ist noch ein 220 Ohm Widerstand für die Einschaltstrombegrenzung und die
Zener Dioden.
Die Zenerdioden haben zusammen 295 Volt Spannung. Ja, da ist es ja garkein Wunder, warum Du "nur" 301 V über die LED Kette gelegt bekommst.
Warum tust Du das? Du weißt doch genau, daß 100 LED in Serie 320V nominal brauchen.
Theorie der LED-Kette: zur Temperatur
Die LEDs erwärmen sich und ziehen mit der Zeit immer mehr Strom.
Ja, klar, ihre Flußspannung sinkt. Siliziumdioden senken ihre Uf im Schnitt so um 2..2,3 mV/K . Nun ist eine LED keine reine Siliziumdiode, ich würde also annehmen, daß der Temperaturkoeffizient eher höher ist. Aber rechnen wir mal mit dUf = -2 mv/K für eine Sperrschicht. Wie warm wird eine LED innendrin ? Nun ja, der Flußspannungsunterschied hieß/kalt scheint ja gewaltig zu sein, dementsprechned würde mich nicht wundern, wenn die eigentlichen LED, v.A. bei superhellen Typen, doch recht warm werden. Bei den stärksten LEDs wie den LumiLeds ist die Kühlproblematik ja bestens bekannt.
Gehen wir mal von Reichelts weißen 5mm 9000 mcd LED aus. Datenblatt: www.reichelt.de/?;ACTION=7;LA=6;OPEN=1;INDEX=0;FILENAME=A500/NSPW500BS-E.pdf;
Temperaturmäßig müssen sie ab 40°C derated werden (siehe Diagramm "Ambient Temperature vs. Allowable Forward Current" ), d.h. mit weniger Strom betrieben werden. Ab 85°C Außentemperatur ist gänzlich Schluß.
Silizium selbst arbeitet bis 140..150 °C fehlerfrei, das bedeutet also, daß da ein Kühlungsproblem bezüglich der eigentlichen LED vorliegt. Bei LEDs ist auch immernoch der Gehäusewerkstoff zu beachten, der kann u.U. bei niedrigeren Temperaturen weich werden, schmelzen oder sich evtl. eintrüben. Eintrübungen wären für klare Leistungsleds fatal. Nehmen wir mal an, daß der Hersteller den eingegeossenen LED Chip nicht heißer als z.B. 120°C haben will, damit das Gehäuse nicht leidet. Die volle Leistung wird die LED bei 40°C noch gerade los (Beginn des Derating), also werden hier die 120°C erreicht. Bei 18°C Raumptemperatur (ich rechne ab sofort mit 20°C, der Einfachheit wegen) ist die LED ebenfalls (40° max.Umgebung - 20°C Ist Umgebung) = 20°C kälter als die maximale Chiptemperatur. Das sind 120°C - 20°C = 100°C.
Wenn die LED aus war, dann nimmt sie die Umgebungstemperatur an. Das waren bei Dir ca. 20°C.
Heiß, mit vollem Nennstrom hat sie intern 100°C. Das sind gut 80K Temperaturunterschied. Mit 2mV/K ändert sich die Flußspannung um dUF = -2mV/K·80K = -160mV.
Das tut jede der LEDs. Die Änderung der Flußspannung ist genau so zu addieren wie die Flußspannungen selbst. Die Spannung der 100er LED-Reihe ändert sich also um
-160mV·100 = -16V
Nun ist die Nennspannung bei ca. 320V (Raumtemperatur) - 16V = 304V.
Das kommt etwa hin. Wenn der Temperaturkoeffizient etwas höher ist (warum finde ich den nicht im Datenblatt ?!?), dann ist die Flußspannungserniedrigung noch höher. Vmtl. sikt die Nennflußspannung bei Betriebstemperatur deutlich unter 298V, so daß die LEDs nun etwas mehr als ihre 20mA Nennstrom ziehen. 23mA hast Du gemessen und das ist richtig so.
Theorie der LED-Kette: zum Strom/der Leistungsaufnahme
320x0,02=6,4 W da die Spannung ebend nicht bei 320 V liegt nehme ich W als Vergleichsbasis.
298x0,023=6,9W - Ausserhalb der Spezifikation.
So ist das nicht ganz richtig. Für LED ist immer der fließende Strom die Spezifikation. Die Flußspannung ergibt sich daraus, abhängig von der Tmeperatur, dem Alter der LED und den Schwankungen im Herstellungsprozeß. Die Spannung ist für die LED nur insoweit relevant, als daß die Versorgung die maximale Flußspannung bereit stellen können muß. Kriterium ist immer der Strom! Da 23mA mehr als die spezifizierten 20mA sind, ist das außerhalb der Spezifikation. Es geht hier um das Kriterium. Die Leistung der Kette ist irrelevant. Wichtig ist der Strom. Wie groß die Spannweite der Flußspannungen sin kann, sthet im Datenblatt. Bei der wißen LED von Reichelt sind das "typisch" 3,6 ... 400V. Wie die LEDs so drauf sind, die man in der Hand hält, weiß man erst, nachdem man die Flußspannung gemessen hat. Mit anderen Worten: da muß man ganz schön Reserve einplanen, was die maximale Ausgangsschaltung der Regelschaltung angeht.
Die abgegebenen Lichtmenge variiert übrigens mit der Flußspannung. Siehe Datenblatt "Amient Temperature vs. Relative Luminosity". Die Flußspannung sinkt mit der Temperatur, hatten wir oben festgestellt. Die Lichtmenge sinkt laut diesem Diagramm ebenfalls mit der Temperatur. Oder: Die Lichtmenge ändert sich gleich mit der Flußspannung.
Steigende Temperatur -> Sinkende Flußspannung -> Sinkende Lichtmenge
Regelung des Stromes
Gibt es eine möglichkeit den Strom zu begrenzen?
Ja, natürlich, die gibt es, z.B. mit einem Regler ;) Siehe unten.
Genaugenommen willst Du den Strom regeln und nicht nur die Ausgangsspannung mit einer Zenerdiode begrenzen.
>Ach ja, die ketten haben übrigens eine stromaufnahme von 20 mA. x 20 sind das 400 mA also brauchst >du ein netzteil mit knapp 10 Watt.
Ich möchte aber kein Netzteil verwenden, denn wenn LEDs dann die effizenz nicht unnötig
schmälern. Durch diverse Widerstände würde ich einiges an Energie in Wärme umsetzen.
Das ist nur dann richtig, wenn man ein 08/15-Netzteil verwendet, das eine (mehr oder minder) konstante Ausgangsspannung liefert. Da braucht man dann Widerstände um einen etwa konstanten Strom durch die LEDs herzustellen. Dieser Widerstand berücksichtigt natürlich nicht die Änderung des Stromes wegen der Flußspannungsvariation der LEDs.
Wie wäre es denn alternativ mit einem Schaltnetzteil, daß einen konstanten Strom liefert. Ein Schaltregler kann prinzipiell auf das Kriterium "Strom" regeln. Nur sind solche Designs nicht Standard. Da kann man sich natürlich was selber bauen.
Normalerweise benutze ich ein Kondensator Netzteil was fast alle LED Anwendungen abdeckt.
Leider habe ich da jetzt ein Platzproblem. Ich würde ca. 2 microFarrad brauchen um 20mA bei 300 Volt
zur verfügung zu stellen.
Platzproblem ? Ja, aber nicht, weil Du 2 Microfarad brauchst. Da brauchst Du sicherlich deutlich mehr Kapazität.
Bei 230V bekommst Du ohne Kondensator (alternativ stelle man sich einen unendlich großen Kondensator vor) "nur" 325V aus dem Brückengleichrichter. Deine LED Kette soll 320V bekommen, daß heißt, das mit Kondensator 5V weniger Gleichspannung da sein soll.
Ein Kondensator, der 5/√2 = 3,5 V Wechselpannung abfallen läßt, muß bei I = 20 mA einen Blindwiderstand von 176 Ohm haben.
Bei f=50Hz komme ich da auf 18µF. Für 250V Wechselspannung hat der schon die Größe einer Coladose wenn man MKP haben will. zwei 40µF Elkos antiseriell, jeder für 400V ausgelegt bauen auch nicht viel kleiner.
Und: Wenn die Netzspannung mal -10% hat, dann hättest Du eh viel zu wenig Spannung im Siebkondensator. Aber das hattes Du auch schon selbst gesagt.
Passiver Anschluß (nur durch Verwenden von passiven Komponenten) wird also so nicht gehen.
Das geht immer dann, wenn die LED wesentlich weniger Spannung hat als die Versorgungsspannung und die Energieffizienz z.B. bei Anzeigezwecken egal ist. Beriets im Auto haben viele Bastler probleme, wenn sie 3 LED in Serie pasysiv an 12V Klemmen wollen.
Zu den Zehnerdioden"regelungen"
Andererseits wird mit der bissherigen Lösung nicht stabiel Laufen, wenn man die erlaubten Netzspannungsschwankungen bedenkt könnte es gut sein das sich die "Lampe" mal schnell verabschiedet.
Zehnerdioden-Spannungs-Zusammenschneidereien kosten obendrein Energie. Im Normalfall nämlich mindestens 11%. Die Schaltung müßte ja so ausgelegt sein, daß bei -10% Netzspannung (207V) die LEDs gerade ihre Flußspannung bekommen. Die Zenerdioden leiten in diesem Falle nicht. Im Normalfalle aber ist die Spannung 11,1% höher als im Minimalfalle, denn 230V = 1,11·207V; die Wunder der Prozentrechnung lassen grüßen. Der Strom durch den Widerstand ist also auch ca. 11% höher, der Strom, der nicht in die LEDs geht, geht in die Zenerdioden, so daß der Strom durch die LEDs konstant bleibt. Folglich gehen im Regelbetrieb an 230V 11,1% des Laststromes durch die Zenerdioden, wenn Du ordentlich baust.
Das war nicht der angestrebte Effizienzgewinn, oder ?
Obendrein sind deine Zenerdioden wesentlich zu schwach dimensionert.
Mit 1,3W können die 100V Dioden maximal 13mA Strom vertragen.
Wenn aber die LED-Zeile als offener Stromkreis versagen sollte, z.B. durch Ausfall einer LED oder durch Bruch einer Lötstelle oder eines Kabels, dann kriegen die Zenerdioden den ganzen Strom aufgebürdet, der vormals durch die LEDs ging. Und das sind mindestens 20mA plus die 11% von oben, plus
evtl. noch mehr bei erhöhter Netzspannung. Das provoziert Brände, mit Verlaub.
Spannungsregler
Die Zener Dioden können nur einen kleinen Bereich kompensieren. 300/320 Volt Spannungsregler gibt es leider nicht.
Ach so ? Wie war das mit dem Hinweis auf HIPxxxx ?
Da meinte ich den HIP5600. Google hätte geholfen. Leider ist der abgekündigt. Vielleicht verkauft irgendwer noch Restposten davon ?
Aktuell ist z.B. der Supertex LR8, der macht aber nur max. 10mA, da wären dann 2 nötig.
oder ST VB408 www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/25589/STMICROELECTRONICS/VB408.html
Mit weniger Spannung, aber u.U auch geeignet könnten sein:
ST TL783
Supertex LR12
Dimensionierung des Reglers
Warum braucht man eigentlich HV-Regler ? Die mesite Spannung bleibt doch in den LEDs "hängen".
Der Maximale Spannungsunterschied and der LED Kette und an der Versorgung ist wie folgt:
LED: Uf typisch ist 3,2V ; weil ich kein Datenblatt habe, schätze ich den Bereich auf 3..3,6V
Netzspannung: 230V~ +/- 10% = 207..253 V~ => 292..357 V nach Gleichrichtung, Spitzenspannung.
Worst case niedrige Netzspannung: 292 V im Gleichrichter, alle LED haben max. Flußspannung von 3,6V. Daraus folgt, daß maximal 81 LED in Reihe geschaltet werden können.
Die haben dann 291,6 V Flußspannung und der Regler muß 0,4 Volt verbraten, damit das bei niedrigster Netzspannung hinkommt.
Worst case hohe Netzspannung: 357 V am Gleichrichter, die 81 LED haben (weil warm) 3,0V x 81 = 243V Flußspannung, nun sind 114V zu verbraten.
Im Regelbetrieb, bei knapp unter 325V Spannung am Gleichrichter (beim Betrieb mit einem dicken Elko) wären 325-292 = 33V zu verbraten, bei 20 mA immerhin 0,66 Watt oder 10,1% der Gesamtleistung.
Da die maximale Spannugn am Regler nur 115V beträgt, kommt der TL783 in Frage. Den gibt's sogar bei Reichelt in der -KC Version im bastler- und kühlungsfreundlichen und TO220 Gehäuse zu kaufen.
Für Supertex' LR8 und LR12 wüßte ich keine Bezugsquelle.
Mit ca. 1,5W Verlustleistung im "Netzspannung hoch" Szenario sollte der Regler gut klarkommen, wenn er einen kleinen Kühlkörper bekommt.
Mit dem TL783 machst Du dann auch besser Stromregelung, keine Spannungsregelung. Siehe Figure 21/22 im Datenblatt von TI. Die minimale Dropoutspannung des TL783 ist 5V, zusätzliche 1,25V benötigit die Stromregelung bzw. dir Abfallspannung am Widerstand ind der Stromregelungsanwendung.
Folglich stehen am Reglerausgang maximal ca. 7 V weniger zur Verfügung als am Gleichrichter anliegen.
Im Minimalszenario sind 292V am Gleichrichter, also maximal 285V hinter dem Regler, also kann man bei Uf,max = 3,6V nur 79 LEDs in Serie betreiben. Wenn Du doch 81 LEDs betreiben willst (9x9 (?)), dann wird die Schaltung halt erst ab 298V am Gleichrichter / 211V Netzspannung / 230V~ -8% laufen. Das ist vermutlich akzeptabel.
Am Gleichrichter ist als Elko ca. 1µF / 1mA Strom erforderlich, also mindestens 20 µF bie 20mA Laststrom.
Die Verluste dieser Schaltung im Regelbetrieb sind natürlich genau wie bei allen anderen Schaltungen, die Spannung verheizen, mit ca. 10% anzusetzen. Netzteile würden da effizienzmäßig wohl eher besser wegkommen.
Absicherung des TL783 Regler gegen Kurzschluß.
Der TL783 wird kurzschlüsse nicht mögen, denn er regelt auf Strom, im "Kurzschlußfalle" würde er also wesentlcih zuviel Leitung erbraten unt thermisch zerstört werden. Dia anderen, schlecht verfügbaren Regler ghaben wohl alle einen thermischen Schutz, diser aber nicht. Also muß man nachhelfen: 25..50 mA Sicherung in die Stromversorgung und über den TL783 einen 110V Varistor legen. Oder eine 110V Trans-Z-Diode. Dann wird aus einer Reglerüberlast ein satter Kurzschluß und die Sicherung kann rausfliegen um die Schaltung stromlos zu machen.
Andere Ideen
Wenn es unbedingt 100 LED in Serie sein müssen, dann würde ich über ein Schaltnetzteil mit Flyback-Technologie nachdenken. Effizienzmäßig zwar schlechter als andere Schaltnetzteile, aber diese Schaltungsvariante kann sowohl höhere wie auch niedrigere Ausgangsspannungen abgeben. Ca. 320V Vorwärtsspannung an der LED Kette bei einer gleichgerichteten Netzspannung von 292..357 V ist eben ein Designfehler.
Als andere Lösung fällt mit ein PFC Controller mit Spannungsboost ein, z.B. L6561 von ST, Datenblatt Figure 7/8. Oder ein invertierender Schaltregler, so wie z.B. Maxim ihre "One Cell white LED" Treiber baut. Invertiernede Schaltregler können nämlich im Unterschied zu Buck- oder Boostreglern ebenfalls die Spannung leicht herauf- oder heruntertransformieren. Topologisch sind sie ja zu den Flybackreglern fast identisch, nur daß sie statt zwei Spulen nur eine haben. Oder ein Buck Regler, der auf das Kriterium "Strom" regelt, wenn als Ausgangslast die kürzere (79..81) LED Kette zum Einsatz kommt. Die Idee mit dem Buck-Regler erbigt sich wiederum durch topologisches Umformen des Invertierenden Reglers.
Als Objekt zum drauf rumdenken hätte ich z.B. ST VIper20 oder VIper50 oder irgendwas aus der VIper Familie anzubieten. Die Biester scheienen mir flexibel genug, um den Invertierenden Schaltwandler mit Stromregelung damit zu bauen. Aber das müßte man mal genauer ausarbeiten.
Verdammt, verdammt, verdammt, da war wieder einer schneller.
So, und wo ich nun weiß, was ich machen würde ... ist es schon getan. D.h. jemand anderes war mal wieder schneller. Guckt mal in das Datenblatt vom MAX16801. Habe ich gerade gesehen, als ich noch mal schnell die Spezifikation von dem Maxim 1Cell LED Driver (MAX8901) nachgucken wollte. Tja, auf die Idee sind schon die Leute von Maxim gekommen. Schön. Dann kann man ja MAX16801 kaufen gehen und dann ist das Effizienzproblem gelöst.
So, das war viel zu lang.
Ich hoffe daß die, die bis hier gelesen haben, die Problematik der Regelung einer langen LED Lichterkette etwas besser verstehen.
Christian: Nur nicht aufgeben. Das wird schon !
-Theo