"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.
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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!
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.
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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!
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