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LED und Konstantstrom, ein Erklärungsversuch

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    [Beleuchtung] LED und Konstantstrom, ein Erklärungsversuch

    "LED betreibt man mit Konstantstrom" liest man immer wieder, aber warum eigentlich? Da dies auch im Forum immer wieder mal ein Thema ist hier ein Erklärungsversuch.

    Glühlampe
    Beginnen wir die Überlegungen mit Glühlampen, bevor wir zur LED kommen. Glühlampen betreibt man mit Konstantspannung (z.B. 230V oder 12V), aber warum funktioniert das?

    Nehmen wir eine Glühlampe mit 12W bei 12V, so fliesst bei Nennleistung ein Strom von 1A. Erhöhen wir nun die Spannung, so steigt die Leistung im Glühdraht und dieser erwärmt sich. Durch die höhere Temperatur des Glühdrahtes steigt aber nun dessen Widerstand, der Strom steigt also weniger stark an. Die Temperaturabhängigkeit des Glühdrahtes stabilisiert den Arbeitspunkt.

    LED
    Betrachten wir die Kennlinie einer LED, hier am Beispiel eines Nichia-COB-Moduls, so findet sich ein ganz anderes Verhalten.

    Das linke Diagramm zeigt die Abhängigkeit des LED-Stroms von der Spannung. Der rote Punkt zeigt den gewünschten Arbeitspunkt bei 35V und 460mA. Man erkennt, daß Spannungsänderungen von wenigen Volt zu enormen Änderungen des LED-Stroms führen.

    Rechnet man den Widerstand der LED in diesem Arbeitspunkt aus, so ergibt sich ein Widerstand von 35V/0.46A = 76 Ohm, aber dieser gilt nur in diesem Punkt und ist extrem spannungsabhängig. Zum Vergleich habe ich einen ohm'schen Widerstand von 76 Ohm eingezeichnet, dies ist die orange gestrichelte Kurve. Der LED-Strom reagiert viel extremer auf kleine Schwankungen der Spannung!


    led_cob_kennlinie.png

    Warum ist das ein Problem? Kann ich nicht einfach genau diese Spannung einstellen?

    Nun, so eine von Hand hingetrimmte Einstellung des Arbeitspunktes funktioniert mit einem Einzelexemplar im Labor, bei konstanter Temperatur. Die LED haben aber Toleranzen der Flußspannung, so daß die Kurve etwas nach links/rechts verschoben ist und man unterschiedliche Spannungen benötigen würde um die LEDs mit Nennleistung zu betreiben.

    Und was es noch schlimmer macht: die Kurve ist temperaturabhängig, wie im rechten Diagramm gezeigt. Je nach Temperatur ändert sich die Spannung, die ich für einen bestimmten Strom einstellen muß. Hier nochmals anders dargestellt für eine andere Diode (Prinzipdarstellung):


    1200px-Dioden-Kennlinie_1N4001.png

    Betrachten wir die Abhängigkeit genauer, so erkennen wir daß die Flußspannung mit steigender Temperatur sinkt. Wenn ich also die LED mit Konstantsspannung betreibe und sich diese im Betrieb erwärmt, so sinkt die Flußspannung und der Strom steigt (!) wodurch die LED noch mehr Leistung aufnimmt und sich noch weiter erwärmt ... das ist ein sich selbst verstärkender Effekt!

    Es ist hier also genau entgegengesetzt dem Verhalten der Glühlampe: bei der Glühlampe stabilisiert sich die Leistungsaufnahme wenn diese warm wird, bei der LED gibt es dagegen eine sich selbst verstärkende Überlastung wenn man sie direkt mit Konstantspannung betreibt.

    Konstantstrom als Lösung

    Wegen der steilen Kurve ist ein sinnvoller (stabiler) Betrieb der LED direkt an Konstantspannung nicht möglich. Betrachten wir also nochmals das Strom/Spannungsdiagramm links oben und nehmen einen konstantem Strom an: die Spannung an der LED ist in diesen Fällen sehr ähnlich, im rechten Diagramm sieht man einen Spannungsbereich von 32V-35V im Temperaturbereich 20°C bis 140°C. Damit ist die LED-Leistung über diesen Bereich nahezu konstant, wenn wir mit Konstantstrom speisen. Also kein thermisches "Weglaufen" wie im Konstantspannungsbetrieb.

    Obwohl die steile Kennlinie bei Konstantspannung zum Problem wurde (kleine Änderungen der Spannung verursachen große Stromänderungen) wird hier zum Vorteil (bei festem Strom ändert sich die Spannung nur wenig durch Temperatureffekte, Toleranzen, Alterung). Die Leistung im Konstantstrombetrieb ist damit sehr stabil.

    Und was ist mit 24V Konstantspannung !?

    Hier muß man unterscheiden zwischen dem Betrieb der eigentlichen LED (Konstantstrom) und der externen Versorgung!

    Die externe Versorgung kann durchaus eine 24V Konstantspannung sein, weil ein Stromregler zwischengeschaltet ist der aus den externen 24V für die LED einen konstanten Strom erzeugt. Im einfachsten Fall kann dies auch ein Serienwiderstand sein, der eine Gegenkopplung realisiert: steigt der Strom, so steigt auch der Spannungsverlust am Widerstand und die LED-Spannung sinkt. Ein solcher Serienwiderstand stablisiert also den Arbeitspunkt, häufig angewendet wird dies bei LED-Strips.

    __________________________________________________ ___

    Dimmen mit Konstantstrom

    Wir kennen die Dimmung durch PWM: die LED wird im schnellen Wechsel ein- und ausgeschaltet. Wenn dies schnell genug geschieht so nimmt man kein Flimmern war, und kann durch das Verhältnis aus EIN und AUS die effektive Helligkeit verändern. Vorteil hierbei: die LED wird nur in zwei Arbeitspunkten betrieben, volle Leistung und AUS, und die Kennlinie dazwischen spielt keine Rolle. Eine 50% Einschaltzeit in der PWM-Ansteuerung erzielt zuverlässig eine Lichtleistung von 50% des Maximalwertes.

    Bei Konstantstrom gibt es darüber hinaus die Möglichkeit, die Lichtleistung durch Reduktion des Stromes zu steuern. Hier beispielhaft eine solche Kennlinie der Lichtleistung (Lichtstrom) in Abhängigkeit des Stroms. Ist ein anderes LED-Modul als im ersten Diagramm, ich habe es gewählt weil Hersteller Cree das Diagramm so übersichtlich darstellt (Quelle)

    lichtleistung_vs_strom.png

    Die Kurve ist nicht völlig linear, aber man bekommt eine gut vorhersehbare Lichtleistung je nach Stromwert. Diese ändert sich auch kaum durch Fertigungstoleranzen oder Temperatur. Man kann LED daher durch Änderung des Stromwertes in der Helligkeit steuern, ohne Verwendung von PWM. In grober Näherung ist dabei die Lichtleistung proportional zum Strom.

    Bei Konstantspannung ist so ein "analoges" Dimmen über den Strom nicht realiserbar, weil nicht der Strom geregelt wird sondern die Spannung. Und eine vorhersehbare, robuste Dimmung über die Spannung ist kaum möglich, weil die Kennlinie so extrem steil ist und Exemplartoleranzen sowie Temperatureffekte und die unterschiedlichen Stromregler bzw. Vorwiderstände im Leuchtmittel hineinspielen. Da kann es sein, daß der 24V Strip bei 18V noch leuchtet und der Spot bereits aus ist.

    Für Konstantspannung ist daher PWM besser beherrschbar, weil dort 50% EIN-Zeit auch zuverlässig 50% der Lichtleistung erzeugt.


    Ergänzungen willkommen!
    Zuletzt geändert von Gast1961; 08.03.2021, 09:21.

    #2
    Vielen Dank für die aufschlussreiche Erklärung!
    Ich hätte noch eine andere Frage im Bezug auf die LEDs.
    Bei LED-Stripes, welche ja mit Konstantspannung versorgt werden, wird ja gerne von einer max. Länge von ca. 5m pro Einspeisung gesprochen.
    So wie ich das verstanden habe, kommt es ansonsten (aufgrund des Spannungsabfalls?) zu einer Abnahme der Helligkeit gegen Ende des Stripes.
    Aufgrund meiner bescheidenen Elektronik Kenntnis stelle ich mir jetzt die Frage, warum man sich dieses Verhalten nicht für das Dimmen nutzt?

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      #3
      Schöne Darstellung, Volker!

      Die natürliche Frage die sich m.E. ergibt lautet: Warum werden mit zusätzlichen Aufwand Leuchten (z.B. allseits bekannte Spots) hergestellt, die mit 24V Konstantspannung zu betreiben sind, wenn doch der Konstantstrom die technisch naheliegendere Lösung ist.

      Ist dies einzig in den Vorteilen der Verkabelung (Parallel- statt Reihenschaltung) sowie potenziell längerer Leitungswege begründet?

      Grüße,
      Sebastian

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        #4
        Zitat von Springrbua Beitrag anzeigen
        Bei LED-Stripes, welche ja mit Konstantspannung versorgt werden, wird ja gerne von einer max. Länge von ca. 5m pro Einspeisung gesprochen.
        Wer kann gegen physikalische Gesetze verstossen ----- die Werbung 🤣

        Leider nur im englischen Wikipedia steht, dass auch die LED-Stripes in der Regel mit Konstantstrom versorgt werden müssen.

        Die Versorgung über eine 5 V USB Schnittstelle ist eine "indirekte Konstantstromversorgung", da hier die Überstrom-Begrenzung der USB Spek "misbraucht" wird. Das wird schief gehen, wenn die falsche Variante, beispielsweise USB 3.x, zur Versorgung verwendet wird, die für USB 2.0 mit 0,5 A gedacht ist.

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          #5
          Zitat von Crashman Beitrag anzeigen
          Warum werden mit zusätzlichen Aufwand Leuchten (z.B. allseits bekannte Spots) hergestellt, die mit 24V Konstantspannung zu betreiben sind
          Zeig mal ein Beispiel für ein Produkt, für das Konstantspannung vorgeschrieben wird.

          Ich finde nur Hinweise auf Einschränkungen wie Trafoleistung = Leuchtenleistung oder die Empfehlung für einen Dimmer, der dann selbstverständlich über den Strom regelt und extra kostet.

          Die extra Kosten zu verstecken scheint mir das Ziel zu sein.

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            #6
            Zitat von knxPaul Beitrag anzeigen
            LED-Stripes in der Regel mit Konstantstrom versorgt werden müssen
            Das weiß ich, wird soweit ich weiß mittels Stromregler oder Vorwiderstand auf Konstantstrom gebracht.

            Zitat von knxPaul Beitrag anzeigen
            Die Versorgung über eine 5 V USB Schnittstelle
            Mir geht es eher um die typischen 24V Stripes, welche mit PWM gedimmt werden. Wird aber vermutlich mit den von dir genannten 5V Stripes vom Prinzip her gleich sein.

            Kommentar


              #7
              Zitat von knxPaul Beitrag anzeigen
              Zeig mal ein Beispiel für ein Produkt, für das Konstantspannung vorgeschrieben wird.
              Gemeint sind höchstwahrscheinlich die hier sehr beliebten Voltus Spots.

              Kommentar


                #8
                Zitat von Crashman Beitrag anzeigen
                Ist dies einzig in den Vorteilen der Verkabelung (Parallel- statt Reihenschaltung) sowie potenziell längerer Leitungswege begründet?
                Ja

                Zitat von knxPaul Beitrag anzeigen
                Zeig mal ein Beispiel für ein Produkt, für das Konstantspannung vorgeschrieben wird.
                Du hast die ganzen Constaled Threads hier im Forum noch nicht gefunden? Und jene über die MDT LED-Controller auch noch nicht? Und einen der klassischen 24V CV LED Stripes hast auch noch nicht verbaut?

                Bei fertigen Leuchten reden wir doch nicht mehr über den leuchtenden Chip im Leuchtmittel, sondern über das Ganze Leuchtmittel.




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                  #9
                  Zitat von Crashman Beitrag anzeigen
                  Die natürliche Frage die sich m.E. ergibt lautet: Warum werden mit zusätzlichen Aufwand Leuchten (z.B. allseits bekannte Spots) hergestellt, die mit 24V Konstantspannung zu betreiben sind, wenn doch der Konstantstrom die technisch naheliegendere Lösung ist.
                  Ich habe das oben nachgetragen. Die LED mit externer 24V Betriebspannung erzeugen den Konstantstrom intern über Stromregler oder Widerstand.

                  Zitat von Crashman Beitrag anzeigen
                  Ist dies einzig in den Vorteilen der Verkabelung (Parallel- statt Reihenschaltung) sowie potenziell längerer Leitungswege begründet?
                  Genau, die Parallelschaltung ist oft einfacher in der Handhabung. Nehmen wir als Beispiel den LED-Strip, da werden die Konstantströme in jedem Segment intern erzeugt (einige LED plus Serienwiderstand) und man kann beliebig viele solcher Teilstücke verbinden.

                  Die potentiell längeren Leitungswege sind ein anderes Thema, das hat theoretisch nichts mit Konstantstrom/Konstantspannung zu tun sondern hängt an der praktischen Realisierung der Treiber. Theoretisch wäre Konstantstrom bei langen Leitungen sogar im Vorteil, weil dann unabhängig von den Leitungsverlusten immer die volle Leistung an der LED ankommt. Hier im Beispiel würde der Treiber 460mA Strom liefern, Spannung an der LED wäre damit die volle Nennleistung. Die Leitungsverluste würden automatisch ausgeglichen, weil sich am Treiber dann eine entsprechend höhere Spannung einstellt (LED-Spannung + Leitungsverluste).

                  Zitat von Springrbua Beitrag anzeigen
                  Aufgrund meiner bescheidenen Elektronik Kenntnis stelle ich mir jetzt die Frage, warum man sich dieses Verhalten nicht für das Dimmen nutzt?
                  Bei Konstantstromtreibern gibt es durchaus Dimmung durch Stromreduktion, damit kann man die Leistung der LED in kontrollierter Weise regeln.

                  Bei Konstantspannung ist so ein "analoges" Dimmen der Spannung nicht vorhersehbar, weil da noch die unterschiedlichen Stromregler bzw. Vorwiderstände im Leuchtmittel hineinspielen. Gleiches Thema wie oben, die extrem steile Kennlinie des Stroms abhängig von der Spannung. Da kann es sein, daß der Strip bei 18V noch leuchtet und der Spot bereits aus ist. Für Konstantspannung ist PWM besser beherrschbar, weil dort 50% EIN-Zeit auch zuverlässig 50% der Lichtleistung erzeugt.
                  Zuletzt geändert von Gast1961; 05.03.2021, 14:34.

                  Kommentar


                    #10
                    Danke für die Erläuterungen!

                    Kommentar


                      #11
                      Danke für die Erklärung Volker, ich habe mit einem weitaus komplexeren Grund dafür gerechnet. So versteh sogar ich das

                      Kommentar


                        #12
                        Zitat von knxPaul Beitrag anzeigen
                        Leider nur im englischen Wikipedia steht, dass auch die LED-Stripes in der Regel mit Konstantstrom versorgt werden müssen.

                        Die Versorgung über eine 5 V USB Schnittstelle ist eine "indirekte Konstantstromversorgung", da hier die Überstrom-Begrenzung der USB Spek "misbraucht" wird. Das wird schief gehen, wenn die falsche Variante, beispielsweise USB 3.x, zur Versorgung verwendet wird, die für USB 2.0 mit 0,5 A gedacht ist.
                        Also ich lese in Deinem Link nur:
                        USB strip lights operate on the standard 5-volt direct current used by USB devices.
                        Da seht nur "5-volt direct current". Direct current (DC) meint nur Gleichstrom im Gegensatz zu Wechselstrom (alternatin current, AC). Von Konstantstrom und erst recht vom Missbrauch irgendwelcher USB Specs steht da nichts.
                        I am hoping the Internet of Incompatible Things mitigates the bad effects of the Internet of Insecure Things.

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                          #13
                          Zitat von hthoma Beitrag anzeigen
                          Also ich lese in Deinem Link nur:
                          Gelesen habe ich "The most common PCB designs use multiple parallel circuits consisting of passive dropper resistors in series with a certain number of LED SMDs, to operate at a certain current and power level with the expected input voltage." Die wörtliche Übersetzung wäre anders, ich habe den Satz interpretiert und missverständlich formuliert; gedacht hatte ich: Die LEDs in den LED-Stripes werden in der Regel mit Konstantstrom versorgt.

                          Missbrauch darf in Wikipedia selbstverständlich nicht stehen.

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                            #14
                            Zitat von knxPaul Beitrag anzeigen
                            Gelesen habe ich "The most common PCB designs use multiple parallel circuits consisting of passive dropper resistors in series with a certain number of LED SMDs, to operate at a certain current and power level with the expected input voltage." Die wörtliche Übersetzung wäre anders, ich habe den Satz interpretiert und missverständlich formuliert; gedacht hatte ich: Die LEDs in den LED-Stripes werden in der Regel mit Konstantstrom versorgt.
                            Ja, das ist genau das, was hier schon im ersten Beitrag hier steht:

                            Zitat von 6ast Beitrag anzeigen
                            Im einfachsten Fall kann dies auch ein Serienwiderstand sein, der eine Gegenkopplung realisiert: steigt der Strom, so steigt auch der Spannungsverlust am Widerstand und die LED-Spannung sinkt. Ein solcher Serienwiderstand stablisiert also den Arbeitspunkt, häufig angewendet wird dies bei LED-Strips.
                            Mit
                            Zitat von knxPaul Beitrag anzeigen
                            da hier die Überstrom-Begrenzung der USB Spek "misbraucht" wird. Das wird schief gehen, wenn die falsche Variante, beispielsweise USB 3.x, zur Versorgung verwendet wird, die für USB 2.0 mit 0,5 A gedacht ist.
                            hat das aber uberhaupt nicht zu tun. So ein 5 V Stripe funktioniert wunderbar auch an einen 5 V Netzteil, selbst wenn es 100 A liefern könnte.
                            I am hoping the Internet of Incompatible Things mitigates the bad effects of the Internet of Insecure Things.

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                              #15
                              Zitat von knxPaul Beitrag anzeigen
                              Wer kann gegen physikalische Gesetze verstossen ----- die Werbung 🤣

                              Leider nur im englischen Wikipedia steht, dass auch die LED-Stripes in der Regel mit Konstantstrom versorgt werden müssen.

                              Die Versorgung über eine 5 V USB Schnittstelle ist eine "indirekte Konstantstromversorgung", da hier die Überstrom-Begrenzung der USB Spek "misbraucht" wird. Das wird schief gehen, wenn die falsche Variante, beispielsweise USB 3.x, zur Versorgung verwendet wird, die für USB 2.0 mit 0,5 A gedacht ist.

                              ich glaube du hast den englischen Artikel nicht verstanden. Tatsächlich ist mir kein einziger Strip bekannt, der mit Konstantstrom versorgt werden muss (was nicht heißt, dass es die nicht gibt). Das steht so auch bei Wikipedia.

                              „This design is referred to as constant-voltage and is rather sensitive to small variations in input voltage and to the voltage drop that occurs along long lengths of strip when driven from a single power input. Alternative design is the "constant current" design where each parallel circuit of several SMDs includes a small integrated circuit to provide a fixed current to that group of LEDs, within a wide range of applied voltages. This allows the strip to operate at the same power level and brightness along its entire length, or with some variation in the driver voltage.“

                              Das zweite genannte Konzept wird auch oft als Konstantstrom Strip verkauft, man muss dabei aber aufpassen, denn eine Konstantstromquelle ist dafür trotzdem nicht nötig. Beispiel wäre der:
                              https://shop.led-studien.de/de/flexb...ds-m-cri90-24v

                              Der Unterschied ist, dass anders als auch von Gast1961 beschrieben AUF DEM STRIP statt einfacher Widerstände aufwendigere Bauteile sitzen, die auch bei schwankender Spannung einen sehr konstanten Strom an die LEDs liefern können.

                              das ist vielleicht auch für Springrbua interessant, die stripes Erlauben nämlich größere Längen.

                              danke für den Artikel 6ast! Die wichtigste Frage wurde aber noch nicht beantwortet ... wo findet sich die große, bezahlbare Auswahl an CC Leichtmitteln und Controllern?

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