Konstantstromquellen und LEDs

Wer sich mit den verschiedenen LED-Bauformen beschäftigt, wird früher oder später über den Begriff Konstantstrom (engl. constant current) oder Konstantstromquelle (engl. constant current source) stolpern.

Das Ohmsche Gesetz

Wer sich noch an den Physikunterricht erinnert, der weiß, dass der elektrische Strom durch zwei wesentliche Faktoren definiert wird: Der Spannung (U, gemessen in Volt) und der Stromstärke (I, gemessen in Ampere). Das Produkt dieser beiden Werte ist die Leistung in Watt (W). Die Spannung ist quasi der Druck, mit dem der Strom durch die Leitung gedrückt bzw. gezogen wird und die Stromstärke ist die Menge an Elektronen, die pro Zeiteinheit durch die Leitung fließen.

Die verschiedenen Umformungen der Basisgleichung des Ohmschen Gesetzes.

Würde man Pluspol und Minuspol (oder Außenleiter und Neutralleiter beim Wechselstrom) direkt miteinander verbinden, würde der maximale Strom (I) durch die Leitung fließen. Verwendet man nun z.B. eine klassische Glühbirne, dann leuchtet diese, aber ansonsten passiert nichts weiter. Das liegt daran, dass die Glühbirne, bzw. der Glühdraht in ihr, einen elektrischen Widerstand aufweist. Die Höhe des Widerstands (R, gemessen in Ohm) drückt aus, wie stark er die Stromstärke begrenzt.

Bedient man sich des Ohmschen Gesetzes (siehe Formelrad in der Abbildung) kann man ausrechnen, dass der Strom, der bei einer 100 W Birne fließt, etwa 0,43 A beträgt (I=\frac{100W}{230V}=0,43A). Der Widerstand beträgt dann R=\frac{230V}{0,43A}=535\Omega. Zur Probe: I=\frac{230V}{535\Omega}=0,43A. Das Funktionsprinzip einer Glühbirne sorgt also quasi automatisch dafür, dass der Strom der sie durchfließt begrenzt wird.

LEDs funktionieren anders

Rote 5 mm LEDs.

Was hat das nun alles mit LEDs zutun? Vereinfacht kann man sagen, dass das Prinzip des Ohmschen Widerstandes bei LEDs nicht gilt. Sie weisen also keinen eigenen “natürlichen” Widerstand auf, lediglich die Spannung fällt um einen bestimmten Wert ab. Ansonsten wird der Strom nicht begrenzt und steigt entsprechend mit zunehmenden Temperatur sogar noch an und zerstört die LEDs entweder sofort oder sehr bald.
Ausnahme: Die Energiequelle, wie z.B. eine 3 Volt Knopfzelle, haben einen so großen Eigenwiderstand, dass einfach nicht mehr Strom fließen kann und die LED entsprechend geschützt wird. In gewisser Weise ist diese Knopfzelle damit bereits eine Konstantstromquelle.

Netzteile mit konstanter Spannung

Betreibt man eine LED bzw. mehrere LEDs an einem “normalen” Netzteil, also einem Netzteil, dass eine konstante Spannung liefert, dann benötigen die LEDs bzw. die LED zusätzlich etwas, was den Strom der durch sie hindurchfließt begrenzt. Im einfachsten Fall werden dafür Widerstände verwendet. Betrachtet man sich z.B. einen 5V oder 12 V LED-Leuchtstreifen genauer, dann wird man in praktisch allen Fällen winzige schwarze Bauteile sehen, die in Reihe mit den LEDs geschaltet sind und deswegen regelmäßig über den gesamten Streifen verteilt sind. Der Strom muss nun also nicht nur durch die LEDs fließen, sondern auch durch die Widerstände. Diese Widerstände regulieren den Strom auf einen für die LEDs akzeptablen Wert. Leider erwärmen sie sich dabei auch, weil sie ein Teil der elektrischen Energie in Wärme umsetzen.

Streifen mit SMD-LEDs. Gut zu erkennen: Die kleinen schwarzen Widerstände, welche den Strom begrenzen. Entsprechend handelt es sich um ein Leuchtmittel, welches mit konstanter Spannung betrieben werden muss.

Bei einer solchen Stromquelle mit konstanter Spannung, versucht das Netzteil die Spannung auf einem bestimmten Wert zu halten, egal ob viel oder wenig Strom fließt. Wird das Netzteil immer mehr belastet, dann sinkt mit zunehmender Stromstärke entweder die Spannung immer weiter ab, oder das Netzteil schaltet sich von selbst ab.

Netzteil mit konstanter Ausgangsspannung (hier 24 V).

Netzteile mit konstanter Stromstärke

Bei einer Konstantstromquelle fließt dagegen ein definierter, maximaler Strom und die Spannung wird, innerhalb einer Unter- und Obergrenze, angepasst bzw. reguliert. Die Spannung spielt hier also eine untergeordnete Rolle. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass die LED(s) keinen vorgeschalteten Widerstand benötigen, sondern mit einer Stromquelle kombiniert werden, die von vorn herein nur eine “gesunde” Stromstärke abgeben kann. Typischerweise wählt man bei der Stromstärke aber nicht den Maximalwert, den die LED gerade noch verträgt, sondern einen Wert darunter.

Netzteil mit konstanter Stromstärke am Ausgang. Die Ausgangsspannung variiert, abhängig von der Last.

Trotzdem ist die Spannung beim Betrieb von LED(s) an Konstantstromquellen nicht völlig egal. Wie schon erwähnt, fällt die Spannung um einen bestimmten Wert ab, wenn der Strom durch die LED hindurchfließt. Sind viele LEDs – wie z.B. bei einem COB – hintereinander, also in Serie, geschaltet, dann addiert sich auch diese Schwellspannung (engl. forward voltage) auf. Eine einzelne LED, welche z.B. eine Uf von 2,7 V aufweist, leuchtet auch erst ab dieser Spannung (oder einem höheren Wert) auf. Entsprechend wäre bei 10 in Reihe geschalteten LEDs, eine Mindestspannung von 27 V notwendig, damit diese überhaupt erst anfängt zu leuchten. Wenn man sich also eigene Leuchten aus LED und Netzteil zusammenstellen möchte, ist es wichtige auch diesen Aspekt zu berücksichtigen.

Ein COB-LED-Element in Form eins Streifens. Dieses Element besteht lediglich aus LEDs, entsprechend limitieren sie den Strom nicht selbstständig, sondern dürfen nur mit eine Konstantstromquelle betrieben werden.

Beispiel und Komponentenauswahl

Eine COB-LED wird beispielsweise mit einer Leistung von 10 W, einer maximalen Stromstärke von 900 mA und einem Spannungsbereich von 12-14 V angegeben.

Der erste Schritt ist, zu überlegen, ob man die LED überhaupt maximal belasten muss bzw. will. Nur weil das Leuchtmittel 0,9 A aushält, heißt das nicht, dass es auch unbedingt sinnvoll ist, diese Stromstärke zu verwenden. Die Lichtausbeute im Verhältnis zur aufgewendeten Leistung, ist höchstwahrscheinlich bei einer geringeren Belastung besser. In vielen Fällen kann es daher sinnvoll sein, “größere” COBs zu kaufen und sie dann nur zu z.B. 50% auszulasten.

Einzelne COB-Elemente können entweder hintereinander (seriell) geschalten werden oder parallel. Der Nachteil der seriellen Schaltung besteht darin, dass die Vorwärtsspannung (Uf) der LEDs sich aufaddiert. Man muss also vorher wissen, wieviel Elemente man kombinieren möchte und dann das Netzteil mit der entsprechenden Stromstärke und Spannung auswählen. Aus diesem Grund gibt es auch in der Regel verschiedene Netzteil-Modelle eines Herstellers, welche zwar die gleiche Stromstärke liefern, aber dieses eben bei unterschiedlichen Spannungen tun. Zum Beispiel 300 mA für die Spannungsbereiche 3-18 V, 20-34 V, 36-66 V oder 60-120 V.

Beispiel für COB-LEDs. In diesem Fall handelt es sich um Elemente mit jeweils 5 W.

Die COB-Elemente parallel zu schalten führt dazu, dass zwar die Spannung gleich bleibt, die Stromstärke wird aber zwischen den verschiedenen Elementen gleichmäßig aufgeteilt. Man könnte somit also z.B. drei COBs mit je 300 mA mit einem 900mA Netzteil und trotzdem relativ geringer Spannung betreiben. Die Gefahr hier ist jedoch die, dass bei einem Defekt oder versehentlichem Entfernen eines Elements, die anderen höchstwahrscheinlich überlastet werden und ebenfalls kaputt gehen. Im Beispiel würden dann zwei COB-Elemente die für 300 mA ausgelegt sind, jeweils mit 450 mA laufen.

Egal ob parallel oder seriell, eine bewußte Abstimmung bzw. gezielte Auswahl der beiden wesentlichen Komponenten (Netzteil und Leuchtmittel) bleibt notwendig. Dies ist wiederum auch der große Vorteil der Netzteile mit konstanter Spannung: Solang es nicht überlastet wird, kann man relativ beliebig Elemente hinzufügen oder wegnehmen. Sogar eine unterschiedliche Stromaufnahme zwischen den verschiedenen Elementen ist möglich. In Fällen in denen Flexibilität ausschlaggebend ist, könnte dieser Weg, trotz etwas geringerer Effizienz, sinnvoll sein. Hat das Netzteil sogar einen aktiven Überlastungsschutz, kann man dann praktisch gar nichts mehr kaputt machen.

Doch zurück zum konstanten Strom: Im Beispiel von oben, könnte man sich z.B. anstatt für 900 mA für ein Netzteil mit 600 mA entscheiden. Damit werden zwar nur 2/3 der maximalen Stromstärke genutzt, dafür ist der Betrieb in diesem Bereich höchstwahrscheinlich effizienter und es muss auch weniger Abwärme abgeleitet werden.

Netzteil im Constant Voltage Mode (CV), bei einer Last von 5 Ohm. Die Last bestimmt hier die Stromstärke (5 Volt / 5 Ohm entspricht 1 Ampere).

Wenn man ein Labornetzteil oder etwas Vergleichbares besitzt, bei dem die Stromstärke gezielt eingestellt bzw. begrenzt werden kann (siehe Abb. oben), dann ist das eine gute Möglichkeit herauszufinden, bei welcher Stromstärke (und Spannung) die LEDs welche Leuchtkraft aufweisen. Ich persönlich habe am Anfang den Fehler gemacht, immer vom Maximalwert der COBs auszugehen. Dabei kann es in vielen Fällen sinnvoller sein, die Anzahl der Elemente zu erhöhen und dann mit weniger Strom zu versorgen. Auf diese Weise verteilt sich auch die Abwärme besser und wirkt sich zudem positiv auf die Lebensdauer aus.

Netzteil im Constant Current Mode, ebenfalls bei einer Last von 5 Ohm. Damit die festgelegte Stromstärke (0,6 A) nicht überschritten wird, hat das Netzteil die Spannung reduziert.

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