LED Leuchten im KFZ

Technik Elektronik & Elektrotechnik
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Hallo,

  1. Die Drossel selbst hat auch noch ein paar Verluste.

Welche Drossel? Es gibt keine! Es wird nur über die Einschaltdauer der durchschnittliche Strom der LED konstant im erlaubten Bereich gehalten!

  1. Du solltest beim „Schalter“ nicht nur an den aktiven FET
    denken, sondern auch an die Diode.

Welche Diode? Die LED? Die leuchtet und hat natürlich keine hundertprozentige Lichtausbeute. Aber der Wirkungsgrad ist nicht geringer bei Pulsweitenmodulation als bei Konstantstrom.

Nochmal: es ist KEIN Schaltnetzteil notwendig. Es ist ausschließlich eine Pulsweitenmodulation. Keine Drossel, keine Gleichrichterdioden, keine Freilaufdioden. Nur ReglerIC und Mosfetschalter.

Gruß
Axel

23

Hi Ralf,

ich weiss. Den Hersteller wollten wir aber nicht unbedingt fragen :smile:

Vielleicht kennst Du das ja…

24

Au weh…
Hi Tobi,

Den Hersteller wollten wir aber nicht unbedingt fragen :smile:

dann hilft nur Arbeiten wie ein Scharnier - 1 % Inspiration und 99 % Transpiration.

Gruß Ralf

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Hallo Axel,

Nochmal: es ist KEIN Schaltnetzteil notwendig. Es ist
ausschließlich eine Pulsweitenmodulation. Keine Drossel, keine
Gleichrichterdioden, keine Freilaufdioden. Nur ReglerIC und
Mosfetschalter.

Bei PWM schon, aber du hast in deinem Posting „Abwärtswandler“ geschrieben und das ist der deutsche Begriff für „Stepdown“.

MfG Peter(TOO)

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Hallo Ulrich,

Für die LEDs gilt: 20 mA x 10 V Durchlaßspannung (deine
Annahme): 20 mW Verlust. Die Konstantstromquelle muß die
restliche Spannung verbraten.

Wie kommst du auf 40 mW?

Verlustleistung am Vorwiderstand (VW)! 20 mA x 10 V Durchlaßspannung = 200 mW Leistung an den LEDs, 20 mA x 2 V Spannungsabfall am VW/Konstantstromquelle = 40 mW.

Die Durchlaßspannung einer LED bleibt halbwegs konstant. In
deinem Beispiel mit dem Transistor mußt du jetzt noch einen
Vorwiderstand berücksichtigen. sonst knirscht es in den LEDs.
Die fehlenden 2 Volt (12 V - Durchlaßspannung) müssen am
Widerstand abfallen.

Korrekt, aber genau den soll man ja angeblich mit der PWM vermeiden - was Unsinn ist, denn bei 14 V Bordspannung würden jetzt ohne VW so hohe Spitzenströme fließen, dass es praktisch nicht mehr zulässig ist. Theoretisch würde sich aber immer noch die gleiche Gesamtleistungsaufnahme wie mit VW ergeben.

Auch hier komme ich nur auf 20 mW. Der Strom beträgt im Mittel
20 mA x 10 V.

Gemeint hatte ich ja die Verlustleistung am VW. Die Gesamtleistung wäre bei 12 V mit VW und 100% ED 240 mW, und bei z.B. 14V und 50% ED 14 * 20 mA = 280 mW - genau so viel, wie mit größerem VW und 100% ED.

(Paßt nicht ganz, da die Durchlaßspannung mit dem Strom
steigt. Genaueres steht dann im Datenblatt.)

Ja, klar.

Grüße

Uwe

PS: Ich mag diesen Unsinn mit der größeren Helligkeit, die sich angeblich bei gepulstem Betrieb ergeben soll, nicht mehr hören. In anderen Beiträgen, nicht von Dir, las ich es wieder. Wer einmal selber experimentiert hat, weiß ein unausrottbares Gerücht als solches zu erkennen.

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Hi Uwe,

Moment. Irgendwas läuft hier schief. Also nochmals der Versuch der Aufdröselung:

Für mich gibts nur 2 Möglichkeiten:

  • Konstantstromquelle (dann gibts keinen VW)
  • PWM mit Schaltransistor (dann ist der VW zwingend notwendig)

Fall PWM:
12 V Bordnetz, I = 20mA, Pgesamt 240 mW, der VW (100 Ohm) übernimmt davon 40 mW, die LEDS 200 mW (wegen 10 V Durchlaßspannung), Einschaltdauer (ED) = 100%

14 V Bordnetz, gleicher(!) VW, gleiche Dioden, I = 40mA, Pgesamt = 560 mW, ED = 100%, LEDs 400 mW, VW 160 mW

Über die PWM bezw. deren ED kann ich nun die Spannungsschwankungen des Bordnetzes ausgleichen oder die Helligkeit der LEDs einstellen.
Sollen die LEDs im 14 V Fall die gleiche Helligkeit (bezw. den gleichen Strom) wie beim 12 V Fall haben, dann brauche ich eine ED von 50%. P(Led) = 200 mW, P(VW) = 80 mW, was sich mit deiner Aussage deckt.

Paßt also. Ich habe einige Anläufe gebraucht, um deine Sätze zu verstehen. Lag wohl an mir.

PS: Ich mag diesen Unsinn mit der größeren Helligkeit, die
sich angeblich bei gepulstem Betrieb ergeben soll, nicht mehr
hören. In anderen Beiträgen, nicht von Dir, las ich es wieder.
Wer einmal selber experimentiert hat, weiß ein unausrottbares
Gerücht als solches zu erkennen.

Die Datenblätter der LEDs geben das nicht her. Meinst du mit „experimentieren“ das bastlerische Umgehen oder das universitäre? Der Bastler, so wie ich halt früher angefangen habe, muß sich primär auf seine subjektiven Wahrnehmungen stützen, der Profi in einem Forschungslabor kann da erheblich objektiver rangehen.
Leider konnte ich auf die Schnelle keine Aussagen über die „Impulsempfindlichkeit“ des Auges finden. Ich vermute, das sind eher medizinische Fachthemen.

Insofern: Ich habe das früher nicht so super genau beachtet. Vielleicht hat mal jemand einen guten Link parat.

mfg Ulrich

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Hallo weisgarnix,

auch wenn Du Uwe nicht glaubst, es ist (ohne Spule) egal, ob PWM oder Konstantstrom. So ziemlich jeder, der sich nicht damit befasst hat die gleichen Probleme.

deshalb ja auch nem geregelten pulweitenmodulator, der die
leuchtleistung unabhängig von der versorgungsspannung konstant
hält (mehr versorgungsspannung - kurze einschltzeit, weniger
versorgungsspannung - lange einschltzeit). dadurch erreicht
man konstante lichtleistung …

völlig korrekt.

… mit geringeren verlusten gegenüber
einer linearen konstantstrom regelung.

leider falsch. Ein anderes, krasserers Beispiel:

U = 102V
LED-Spannung = 2V
LED-Strom 1mA
LED-Spitzenstrom: unendlich.
LED-Innenwiderstand: 1Ohm

Konstantstromquelle:
es fallen an der Stromquelle (und ein winziger Bruchteil am 1Ohm) 100V * 1mA ab, also 100mW.

PWM: es fließt bei jedem Puls ein Strom von 100A. Den lasse ich für 1 µs fließen. Danach habe ich 99.999 µs also fast 100ms Pause um auf 1mA mittel zu kommen. in der einen µs aber habe ich 10.000W verbraten. Umgerechnet auf die Gesamtzeit habe ich im Mittel wieder 100mW verbraten.

Das Problem ist, dass es immer irgendwo einen Verlustwiderstand geben muss (hier 1Ohm in der LED), ansonsten ist der Strom unendlich. Bei unendlichem Strom aber versagt die berechenbarkeit, und in der Praxis kommts nicht vor.

Wenn es aber einen Widerstand gibt, dann frisst er die Leistung von Strom * (zu verbratene Spannung), egal ob PWM oder Konstantstrom-Quelle.

Gruß
achim

P.S.: Das ist ja gerade der Sinn von Abwärtswandlern mit Spulen, dass der Strom nicht durch ein R begrenzt wird, sondern durch eine Induktivität, die dann nach dem Abschalten den Strom noch ein wenig länger fließen lässt. Dieser Effekt kann übrigens nicht mit Kondensatoren realisiert werden. sogenannte Wandler mit geschalteten Kondensatoren können nur fest eingestellte Vielfache erzeugen, also z.B. Halbieren, Verdoppeln, verdreifachen. Es ist nicht möglich, mit Kondensatoren z.B. zwischen „10V und 14V“ Eingangsspannung auszuregeln.

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beim phaeton ist pwm
und zwar für Rücklicht und Bremsen die gleichen LED´s, nur eben anderes duty cycle.
Ist sehr nervig das flackern und sollte verboten werden.
Warum man es so macht, ist sicher der µCopntrollertechnik zu verdanken: man spart einen externen Steuerkreis und eine Leitung. Helligkeit Bremsen/Rücklicht können auf diese weise zentral programmiert werden.

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Hallo Achim,

U = 102V
LED-Spannung = 2V
LED-Strom 1mA
LED-Spitzenstrom: unendlich.
LED-Innenwiderstand: 1Ohm
Konstantstromquelle:
es fallen an der Stromquelle (und ein winziger Bruchteil am
1Ohm) 100V * 1mA ab, also 100mW.

Okay. Und an der LED 2V mal 1mA = 2mW. Ergibt dann einen Wirkungsgrad von weniger als 2%.

PWM: es fließt bei jedem Puls ein Strom von 100A. Den lasse
ich für 1 µs fließen. Danach habe ich 99.999 µs also fast
100ms Pause um auf 1mA mittel zu kommen. in der einen µs aber
habe ich 10.000W verbraten. Umgerechnet auf die Gesamtzeit
habe ich im Mittel wieder 100mW verbraten.

Falsch. Die Leistung der LED muß das gleiche ergeben wie beim Linearrregler, also etwa 2mW. Die Kennlinie einer LED ist nicht linear. Du kannst nicht einfach sagen: im Dauerbetrieb 2V Spannungsabfall, bei Pulsbetrieb 1Ohm Widerstand. Was Du im zweiten Fall ausgerechnet hast, ergäbe nicht die Verluste des Reglers, sondern die Deiner Rechnung nach 50fache Lichtleistung der LED, was natürlich Unfug ist.

Du rechnest falsch, da Du die Leistung der LED mit der Leistung im Schalter verwechselst. Ein idealer Schalter hat gar keinen Innenwiderstand, die volle Leistung kommt an der LED an, am Schalter entstehen Verluste von 100A mal 0V ergibt 0mW.
Und das ist eben nicht das gleiche wie die 100mW bei einem Linearregler.

Hast Du Dir schonmal Gedanken darüber gemacht, warum es in einem PC schon immer Schaltnetzteile gab? Warum nie einer versucht hat, die 5V für die Digitalbausteine (bereits in der Anfangszeit des PCs etwa 20A) per Linearregler zu erzeugen?

Das Problem ist, dass es immer irgendwo einen
Verlustwiderstand geben muss (hier 1Ohm in der LED), ansonsten
ist der Strom unendlich.

Dir ist offensichtlich der Unterschied zwischen Leistung und Verlustleistung unbekannt.

Bei unendlichem Strom aber versagt
die berechenbarkeit, und in der Praxis kommts nicht vor.

Es hat hier niemand außer Dir von unendlichen Strömen gesprochen.

Wenn es aber einen Widerstand gibt, dann frisst er die
Leistung von Strom * (zu verbratene Spannung), egal ob PWM
oder Konstantstrom-Quelle.

Die Frage ist, in welcher Form die Leistung ‚gefressen‘ wird. Und wieviel insgesamt und wo.

P.S.: Das ist ja gerade der Sinn von Abwärtswandlern mit
Spulen, dass der Strom nicht durch ein R begrenzt wird,
sondern durch eine Induktivität, die dann nach dem Abschalten
den Strom noch ein wenig länger fließen lässt. Dieser Effekt
kann übrigens nicht mit Kondensatoren realisiert
werden. sogenannte Wandler mit geschalteten Kondensatoren
können nur fest eingestellte Vielfache erzeugen, also z.B.
Halbieren, Verdoppeln, verdreifachen. Es ist nicht möglich,
mit Kondensatoren z.B. zwischen „10V und 14V“ Eingangsspannung
auszuregeln.

Aber jederzeit geht das! Einfach über eine Drossel oder einen Widerstand einen Kondesator aufladen und diesen Vorgang stoppen, wenn die gewünschte Spannung erreicht ist. Vorgang wieder einschalten, wenn eine Mindestspannung am Kondensator unterschritten wird. Das Ganze heißt dann Schaltnetzteil.
Die Drossel ist natürlich zur VERLUSTleistungsminderung - der Strom wird ‚gebremst‘, ohne daß zu hohe Verluste auftreten. Es geht beim Abwärtswandler NICHT darum, daß der Strom noch ein wenig länger fließt, sondern darum, daß er nicht sofort anfängt zu fließen, wenn der Schalter zum Aufladen des Kondensators einschaltet. Es ginge aber ohne weiteres auch mittels Widerstand.

Gruß
Axel

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Nenene
Hallo Ulrich

Für mich gibts nur 2 Möglichkeiten:

  • Konstantstromquelle (dann gibts keinen VW)
  • PWM mit Schaltransistor (dann ist der VW zwingend notwendig)

a) wie sieht eine Konstantstromquelle ohne Vorwiderstand aus?
b) wozu braucht ein PWM-Regler einen Vorwiderstand?

Fall PWM:
12 V Bordnetz, I = 20mA, Pgesamt 240 mW, der VW (100 Ohm)
übernimmt davon 40 mW, die LEDS 200 mW (wegen 10 V
Durchlaßspannung), Einschaltdauer (ED) = 100%

Eine PWM soll ja grad durch Veränderung der Einschaltdauer den durchschnittlichen Strom durch die LED regeln. Deshalb braucht man hier KEINEN Vorwiderstand (der Strom wird ausschließlich durch die LED selber begrenzt, indem man eine genügend große Anzahl in Reihe schaltet), die Einschaltdauer ist mit Sicherheit unter 100%. Die Verluste entstehen vor allem dadurch, daß der Schalter (Mosfet, Widerstand eingeschaltet etwa 35MILLIOhm!) nicht unendlich schnell von sperren auf durchlassen umschaltet.

Grade Deine Konstantstromquelle ist aber nichts anderes als ein (geregelter) Widerstand, der permanent Leistung in Wärme umsetzt.

Gruß
Axel

32

Doch, oder du mußt Kirchhoff widerlegen.
Hi Axel,

a) wie sieht eine Konstantstromquelle ohne Vorwiderstand aus?

Darum gehts nicht. Eine Konstantstromquelle ist eine Konstantstromquelle ist eine … Was da im Einzelnen drin ist, spielt keine Rolle. Wir haben ja auch nicht nach dem Innenleben einer Konstantspannugnsquelle gefragt.

b) wozu braucht ein PWM-Regler einen Vorwiderstand?

Damit sich der Herr Kirchhoff nicht im Grabe umdreht und damit die LEDs nicht sterben.

Eine PWM soll ja grad durch Veränderung der Einschaltdauer den
durchschnittlichen Strom durch die LED regeln. Deshalb braucht
man hier KEINEN Vorwiderstand (der Strom wird ausschließlich
durch die LED selber begrenzt, indem man eine genügend große
Anzahl in Reihe schaltet), die Einschaltdauer ist mit Sicherheit
unter 100%.

Auch, wenn du „hier“ schreibst:

Sorry, Axel, aber dazu ein ganz klares NEIN! Wende die Kirchhoff’sche Maschenregel an und du siehst die Probleme.
http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph…
http://de.wikipedia.org/wiki/Maschenregel

Eine genügend große Anzahl an LEDs ist niemals, niemals eine strombegrenzende Einrichtung. Eine einzelne LED erst recht nicht.

Die Summe der Quellenspannungen muß immer die Summe der Verbraucherspannungen sein. Die Verbraucherspannung der LEDs ist festgelegt, die Differenz dazwischen muß immer ein anderes widerstandbehaftetes Element übernehmen, jedenfalls in unserer einfachen Schaltung.

Die Verluste entstehen vor allem dadurch, daß der
Schalter (Mosfet, Widerstand eingeschaltet etwa 35MILLIOhm!)
nicht unendlich schnell von sperren auf durchlassen umschaltet.

Da hast du deinen Widerstand. Der ist nunmal eine Eigenschaft des MosFet. Betreibe die PWM mit einem bipolaren Transistor, dann brauchst du einen externen Widerstand. In den Datenblättern findest du den Begriff Stoßstrom. Den darfst du nicht überschreiten, auch nicht mit der PWM. Und das wirst du in deinem Fall garantiert.

Wie auch immer du es anstellst, du braucht immer ein Element mit einer zuverlässigen(!) Eigenschaft „Widerstand“, sonst gibts Bauteilesalat. Oder du belegst mir, daß Kirchoff falsch lag.

Grade Deine Konstantstromquelle ist aber nichts anderes als ein
(geregelter) Widerstand, der permanent Leistung in Wärme
umsetzt.

So what? Um die ging es ja auch nicht, genau so wenig wie um die Konstantspannungsquelle.

mfg Ulrich

33

Hallo axel,

da du laut vika im weiteren Sinne Elektronik-Ingenieur bist, und um andere Mitlesende nicht zu verwirren bitte ich Dich, Dir nur das Kernproblem nochmal anzusehen.

  1. Eine Schaltung aus einer LED und einem Schalter an einer idealen Spannungsquelle (mit zu hoher Spannung) braucht einen (induktiven, kapazitiven oder ohmschen) Widerstand um den Strom endlich zu halten.

  2. induktivitäten haben wir ausgeschlossen, auch wenn sie technisch die lösung sind.

  3. kapazitäten spielen in diesem Gedankenexperiment keine Rolle.

  4. Wenn die Strombegrenzung nur durch einen Ohmschen Widerstand erfolgt, dann spielt es kein Rolle, ob dieser
    a) groß ist und konstant bestromt wird oder
    b) klein ist und pulsartig bestromt wird.

Mein Beispiel mit krassen werten sollte durch einfache Rechnungen zeigen, dass dies in erster Näherung auch stimmt. Mit genauer Rechnung zeigt es, dass es auch genau stimmt.

Gruß
achim

Du kannst nicht einfach sagen: im Dauerbetrieb
2V Spannungsabfall, bei Pulsbetrieb 1Ohm Widerstand.

Den 1 Ohm Widerstand kannst Du auch in der ersten Rechnung mit einbeziehen, aber durch die krassen Werte ist dies in erster Näherung nicht mehr notwendig.

Ein idealer Schalter hat
gar keinen Innenwiderstand, die volle Leistung kommt an der
LED an, am Schalter entstehen Verluste von 100A mal 0V ergibt

völlig korrekt, damit stimmt jeder hier überein. Daher auch die Notwendigkeit der Strombegrenzung durch 1 Ohm.

Hast Du Dir schonmal Gedanken darüber gemacht, warum es in
einem PC schon immer Schaltnetzteile gab?

weil es auch schon immer Induktivitäten gab.

Aber jederzeit geht das! Einfach über eine Drossel oder einen
Widerstand einen Kondesator aufladen und diesen Vorgang
stoppen, wenn die gewünschte Spannung erreicht ist. Vorgang
wieder einschalten, wenn eine Mindestspannung am Kondensator
unterschritten wird. Das Ganze heißt dann Schaltnetzteil.
Die Drossel ist natürlich zur VERLUSTleistungsminderung - der
Strom wird ‚gebremst‘, ohne daß zu hohe Verluste auftreten. Es
geht beim Abwärtswandler NICHT darum, daß der Strom noch ein
wenig länger fließt, sondern darum, daß er nicht sofort
anfängt zu fließen, wenn der Schalter zum Aufladen des
Kondensators einschaltet. Es ginge aber ohne weiteres auch
mittels Widerstand.

da, genau da ist dein Denkfehler. Wenn eine Drossel den Strom begrenzt, dann wirkt sie wie ein ohmscher Widerstand. Erst in dem Augenblick, „wo der Strom noch ein wenig länger fließt“, erst in diesem Augenblich unterscheidet sie sich vom Ohmschen Widerstand dadurch, dass sie die ansonsten verloren Leistung wieder „ausspuckt“.

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Hallo,

a) wie sieht eine Konstantstromquelle ohne Vorwiderstand aus?

Darum gehts nicht. Eine Konstantstromquelle ist eine
Konstantstromquelle ist eine … Was da im Einzelnen drin ist,
spielt keine Rolle. Wir haben ja auch nicht nach dem
Innenleben einer Konstantspannugnsquelle gefragt.

Doch, genau darum geht es. Wir betrachten hier NICHT die Energie, die durch die LED im Rücklicht verbraucht wird, sonderun um die GESAMTenergie, die LED plus Ansteuerung benötigen. Selbstverständlich mußt Du dazu wissen, wie die Ansteuerung aussieht. Und was sie für Verluste produziert.
Daß die LED bei der einen oder anderen Variante dasselbe an Energie aussenden und iun Wärme umwandeln ist trivial und eben nicht das Thema hier.

b) wozu braucht ein PWM-Regler einen Vorwiderstand?

Damit sich der Herr Kirchhoff nicht im Grabe umdreht und damit
die LEDs nicht sterben.

Meine Güte, hast Du eigentlich schonmal eine PWM-Schaltung gesehen? Oder ein Datenblatt einer LED angeschaut? 2V Spannungsabfall ist doch nur eine Näherung zur leichteren Berechnung! Schau Dir doch mal z.B. hier:
http://www.reichelt.de/inhalt.html?SID=14QqVwt9S4AQ4…
auf Seite 9 die grafik oben links an (Forward Voltage vs. Forward Current). Dann siehst Du, daß eine LED selbstverständlich einen Strom in Abhängigkeit zur angelegten Spannung fließen lässt und eben NICHT unendlichen Strom durchlässt bei einer Spannung von 2V (oder was auch immer je nach Typ).

Sorry, Axel, aber dazu ein ganz klares NEIN! Wende die
Kirchhoff’sche Maschenregel an und du siehst die Probleme.
…
Eine genügend große Anzahl an LEDs ist niemals, niemals eine
strombegrenzende Einrichtung. Eine einzelne LED erst recht
nicht.

Kauf’ Dir eine richtig billige LED-Taschenlampe und schau rein. Such’ nach dem Widerstand. Du wirst keinen finden. Es wird einfach die Strom-Spannungs-kennlinie der beteiligten LED ausgenutzt. Das heißt, je voller die Batterie (also: je höher die Spannung) desto heller das Licht (also: desto größer der Strom).
Ich hab’ Elektrotechnik studiert und bin Wissenschaftlicher Mitarbeiter an einer Fachhochschule. Also erzähl’ mir nichts von Kirchhoff etc.

Die Summe der Quellenspannungen muß immer die Summe der
Verbraucherspannungen sein. Die Verbraucherspannung der LEDs
ist festgelegt,

Genau das ist sie eben nicht. Die Kenntnis der Kirchhoff’schen Gesetze besagt offensichtlich nicht, daß man sie auch anwenden kann.

die Differenz dazwischen muß immer ein anderes
widerstandbehaftetes Element übernehmen, jedenfalls in unserer
einfachen Schaltung.

s.o.
Oder besser: lies das Datenblatt.
Ist nicht so schwer.

Die Verluste entstehen vor allem dadurch, daß der
Schalter (Mosfet, Widerstand eingeschaltet etwa 35MILLIOhm!)
nicht unendlich schnell von sperren auf durchlassen umschaltet.

Da hast du deinen Widerstand.

Sag mal, willst Du nicht verstehen? Der Widerstand, von dem Du jetzt grad sprichtst, besteht nur WÄHREND DES SCHALTVORGANGS. Ein paar us lang. nicht beim Sperren und nicht beim leiten.

Der ist nunmal eine Eigenschaft des MosFet.

Nein, das ist eine Eigenschaft jedes Halbleiters, daß er eine begrenzte Schaltgeschwindigkeit hat. Egal, ob Mosfet, Diode, Transistor, Triac, Thyristor,…

Betreibe die PWM mit einem bipolaren Transistor,
dann brauchst du einen externen Widerstand.

Wozu?

In den
Datenblättern findest du den Begriff Stoßstrom. Den darfst du
nicht überschreiten, auch nicht mit der PWM. Und das wirst du
in deinem Fall garantiert.

Wo sollen da denn Stöße herkommen?

Wie auch immer du es anstellst, du braucht immer ein Element
mit einer zuverlässigen(!) Eigenschaft „Widerstand“, sonst
gibts Bauteilesalat. Oder du belegst mir, daß Kirchoff falsch
lag.

Weder Kirchoff noch ich liegen da falsch. Denk nochmal drüber nach, was da tatsächlich passiert und vor allem:
denke an REALE Bauteile. Nicht immer nur an Näherungswerte.

Grade Deine Konstantstromquelle ist aber nichts anderes als ein
(geregelter) Widerstand, der permanent Leistung in Wärme
umsetzt.

So what? Um die ging es ja auch nicht, genau so wenig wie um
die Konstantspannungsquelle.

Doch. Es ging um die Ansteuerung eines LED-Rücklichtes und warum man ausgerechnet PWM und eben keine Konstantstromquelle verwendet.

Gruß
Axel

35

Hallo Achim,

  1. Eine Schaltung aus einer LED und einem Schalter an einer
    idealen Spannungsquelle (mit zu hoher Spannung) braucht einen
    (induktiven, kapazitiven oder ohmschen) Widerstand um den
    Strom endlich zu halten.

Nein. Die LED begrenzt den Strom selber. Eine LED hat eben NICHT, wie gern näherungsweise gerechnet, einen KONSTANTEN Spannungsabfall. Er ist Stromabhängig. Das heißt, je nach Spannung stellt sich ein bestimmter Strom ein und umgekehrt. Wobei dieser Zusammenhang nicht relativ linear wie bei einem ‚ohmschen‘ Widerstand ist. Schau Dir einfach mal ein Datenblatt einer LED an (z.B.:
http://www.reichelt.de/inhalt.html?SID=14QqVwt9S4AQ4…
Seite 9, Forward Voltage vs. Forward Current).

  1. induktivitäten haben wir ausgeschlossen, auch wenn sie
    technisch die lösung sind.

Sie sind auf jeden Fall die Lösung, wenn es darum geht, einen Kondensator mit kleinem dynamischen Widerstand aus einer großen Spannung aufzuladen. Einfach deshalb, weil eine Induktivität den Strom langsam ansteigen lässt und somit relativ verlustarm begrenzt - man schaltet einfach den Ladevorgang des Kondensators ab, bevor Strom (für den Schalter) und/oder Spannung (für den Verbraucher) zu groß werden.

  1. kapazitäten spielen in diesem Gedankenexperiment keine
    Rolle.

Nein. Und genau deshalb braucht man keine Induktivität. Anders als eine Glühbirne ist eine LED kein Kaltleiter, der einen hohen Einschaltstrom ermöglichen würde.

  1. Wenn die Strombegrenzung nur durch einen Ohmschen
    Widerstand erfolgt, dann spielt es kein Rolle, ob dieser
    a) groß ist und konstant bestromt wird oder
    b) klein ist und pulsartig bestromt wird.

Völlig richtig.

Mein Beispiel mit krassen werten sollte durch einfache
Rechnungen zeigen, dass dies in erster Näherung auch stimmt.
Mit genauer Rechnung zeigt es, dass es auch genau stimmt.

Deine Näherung stimmt, lässt aber die Gesamtleistung außer acht. Eine PWM erzeugt wesentliche geringere GESAMTverluste als eine Lösung mit geregeltem Vorwiderstand (Konstantstromquelle).

Du kannst nicht einfach sagen: im Dauerbetrieb
2V Spannungsabfall, bei Pulsbetrieb 1Ohm Widerstand.

Den 1 Ohm Widerstand kannst Du auch in der ersten Rechnung mit
einbeziehen, aber durch die krassen Werte ist dies in erster
Näherung nicht mehr notwendig.

Ich bezweifle den Wert überhaupt an. Wo hast Du ihn her?

Ein idealer Schalter hat
gar keinen Innenwiderstand, die volle Leistung kommt an der
LED an, am Schalter entstehen Verluste von 100A mal 0V ergibt

völlig korrekt, damit stimmt jeder hier überein. Daher auch
die Notwendigkeit der Strombegrenzung durch 1 Ohm.

Nochmal: den Strom begrenzt die LED selber. Es ist kein Vorwiderstand notwendig.

Hast Du Dir schonmal Gedanken darüber gemacht, warum es in
einem PC schon immer Schaltnetzteile gab?

weil es auch schon immer Induktivitäten gab.

Man hätte auch einen Linearregler benutzen können. Leider erzeugt der (näherungsweise) genausoviel Verlust- wie Nutzenergie. Und wie sollte man die bei der Größe loswerden?

da, genau da ist dein Denkfehler. Wenn eine Drossel den Strom
begrenzt, dann wirkt sie wie ein ohmscher Widerstand.

Nein! Es geht um den Effekt, daß eine Drossel den Strom nicht beliebig schnell ansteigen lässt! Wenn ein Kondensator direkt an eine hohe Spannung gelegt wird (durch den Schalttransistor des Schaltnetzteils) würde er sich mit einem riesigen Strom aufladen - begrenzt durch den Innenwiderstand des Kondensators, des Schalters und der Quelle (normalerweise auch ein Kondensator). Das würde der Schalter nicht mitmachen (die anderen Beteiligten auch nicht). Da der Strom durch eine Drossel nicht ‚springen‘ kann, bremst sie den Stromanstieg (s.o.).

Erst in
dem Augenblick, „wo der Strom noch ein wenig länger fließt“,
erst in diesem Augenblich unterscheidet sie sich vom Ohmschen
Widerstand dadurch, dass sie die ansonsten verloren Leistung
wieder „ausspuckt“.

Das ist die Anwendung einer Drossel im umgekehrten Wandlertyp - dem Aufwärtswandler. Dort nutzt man ja diesen Effekt aus, um einen Kondensator auf eine höhere Spannung aufzuladen, als man eingangsseitig zur Verfügung hat. Der Strom in der Drossel (den man im einen Takt induziert hat) ‚will‘ nach dem Abschalten des ‚Aufladetransistors‘ weiterfließen, was nur über die Aufladung eines Kondensators mit einer höheren als der ursprünglichen Spannung klappt.
Das hat natürlich nichts mit einer Strombegrenzung zu tun. Ist eher sowas wie ein ‚zeitlich sequentieller Spartrafo‘.
Übrigens wurde das gleich früher zur Zündfunkenerzeugung in den Zündspulen jedes Ottomotors ausgenutzt.

Jetzt klarer geworden? (Ich weiß, wenn jemand etwas nicht verstanden hat, liegt es am Erklärenden, also bitte hab’ Geduld mit mir.)

Gruß
Axel

36

Hi Axel,

Ok, nehmen wir mal deine Beispiel LED NSPW310BS als reales Bauteil:

Im Datenblatt steht:
pulse forward current 100 mA (absolute maximum rating), darf also nicht überschritten werden. Jetzt berücksichtige noch die Umgebungstemperaturen im Auto (so -20 Grad bis + 70 Grad), dann noch die Streuungen der Durchlaßspannungen.
Nebenbei will dein Auftraggeber eine 100000er Serie herstellen, die zuverlässig und langlebig (also innerhalb der Spezifikationen des Datenblattes liegend) funktionieren soll. Wenn schon real, dann richtig real.

auf Seite 9 die grafik oben links an (Forward Voltage vs.
Forward Current). Dann siehst Du, daß eine LED
selbstverständlich einen Strom in Abhängigkeit zur angelegten
Spannung fließen lässt und eben NICHT unendlichen Strom
durchlässt bei einer Spannung von 2V (oder was auch immer je
nach Typ).

Jep. Die Kurve hört bei 100 mA auf. Danach ist sie nicht mehr spezifiziert und du solltest es tunlichst vermeiden, die LED in diesen Betriebsbereich zu fahren. Alles, was außerhalb liegt, ist nicht mehr spezifiziert.
Wir reden hier nicht über ein Exemplar, sondern über eine Serie.

Unterhalb der Grafik siehst du noch die Temperaturabhängigkeit, was im Auto auch eine große Rolle spielt, somit auch in unserer Schaltung.

Wie soll also die Schaltung genau aussehen? Wie würdest du sie dimensionieren?

Und nein, die LED-Funzel ist kein Maßstab. Der Kunde wird fast nie bemerken, ob die LED so lange brennt, wie es der Hersteller angibt. Denn solange hält die Taschenlampe üblicherweise nicht. In unserem Falle wären das 1000 Betriebsstunden, die wird kaum jemand erreichen.
Weiterhin wird so eine Funzel mit einer Batterie (bezw. mit 3x1,5 V) betrieben, die einen erheblich höheren Innenwiderstand hat als unser 12 V Bordnetz.

mfg Ulrich

37

Hallo Ulrich,

pulse forward current 100 mA (absolute maximum rating), darf
also nicht überschritten werden. Jetzt berücksichtige noch die
Umgebungstemperaturen im Auto (so -20 Grad bis + 70 Grad),
dann noch die Streuungen der Durchlaßspannungen.
Nebenbei will dein Auftraggeber eine 100000er Serie
herstellen, die zuverlässig und langlebig (also innerhalb der
Spezifikationen des Datenblattes liegend) funktionieren soll.
Wenn schon real, dann richtig real.

Das Ganze soll von etwa 12Volt bis etwa 15Volt funktionieren. Strom soll 30mA(Dauerbetrieb) bis 100mA(dann gepulst) betragen. Das entspricht einer LED-Spannung von 3,7V bis 4,6V. Also braucht man 3LED in Reihe.
Du hast Recht, man braucht zumindest bei dieser LED eine Drossel.
Natürlich ohnehin einen Strommesswiderstand, der aber sehr klein sein darf.

auf Seite 9 die grafik oben links an (Forward Voltage vs.
Forward Current). Dann siehst Du, daß eine LED
selbstverständlich einen Strom in Abhängigkeit zur angelegten
Spannung fließen lässt und eben NICHT unendlichen Strom
durchlässt bei einer Spannung von 2V (oder was auch immer je
nach Typ).

Jep. Die Kurve hört bei 100 mA auf. Danach ist sie nicht mehr
spezifiziert und du solltest es tunlichst vermeiden, die LED
in diesen Betriebsbereich zu fahren. Alles, was außerhalb
liegt, ist nicht mehr spezifiziert.
Wir reden hier nicht über ein Exemplar, sondern über eine
Serie.

Klar. Allerdings gibt es Typen, die einen größeren Strombereich zulassen (z.B. 150mA bei 20mA Nennstrom). ‚Mein‘ Datenblatt war nur das erste, das mir in die Finger gefallen ist.

Unterhalb der Grafik siehst du noch die
Temperaturabhängigkeit, was im Auto auch eine große Rolle
spielt, somit auch in unserer Schaltung.
Wie soll also die Schaltung genau aussehen? Wie würdest du sie
dimensionieren?

Drossel, Schalt-Mosfet, etwa 3 LED in Reihe (davon mehrere parallel) ein Messwiderstand von etwa 0,1Ohm, wobei bis auf Drossel und LED alles in ein IC könnte. Genauer kann ich das nicht dimensionieren, dazu bräuchte ich mehr Daten, Zeit und Lust.

Und nein, die LED-Funzel ist kein Maßstab. Der Kunde wird fast
nie bemerken, ob die LED so lange brennt, wie es der
Hersteller angibt. Denn solange hält die Taschenlampe
üblicherweise nicht. In unserem Falle wären das 1000
Betriebsstunden, die wird kaum jemand erreichen.
Weiterhin wird so eine Funzel mit einer Batterie (bezw. mit
3x1,5 V) betrieben, die einen erheblich höheren
Innenwiderstand hat als unser 12 V Bordnetz.

Ich denke, daß auch der Innenwiderstand der Micro- oder Mignonbatterien nicht so groß ist, daß man keine 150mA ziehen kann. Aber Du hast natürlich Recht, sinnvoll ist diese Betriebsart nicht.

Gruß
Axel

38

Lassen wir Kirchhoff mal in Ruhe :wink:
Hi Axel,

Das Ganze soll von etwa 12Volt bis etwa 15Volt funktionieren.
Strom soll 30mA(Dauerbetrieb) bis 100mA(dann gepulst) betragen.
Das entspricht einer LED-Spannung von 3,7V bis 4,6V. Also
braucht man 3LED in Reihe.

Ich käme dann nur auf 2 LEDs. Worst case: niedrige Bordspannung, hohe Durchlaßspg. Bei 12 V und 4,6 V * 3 LEDs reichts nur für ein müdes Funzeln. Denn diese LED bietet keine genügende Dynamik, was den Betriebsstrom betrifft.
Also wähle ich 2 LEDs.

Das ergibt dann 4 Eckwerte:
12 V Bordnetz 2*3,7 Ufwd
12 V Bordnetz 2*4,6 Ufwd - schlechtester Fall mit der höchten Ufwd, niedrigster Strom
15 V Bordnetz 2*3,7 Ufwd - schlechtester Fall mit der niedrigsten Ufwd, höchster Strom
15 V Bordnetz 2*4,6 Ufwd

Mal rechnen (Annahme: ich brauche einen strombegrenzenden Widerstand, Schalter sei ziemlich ideal):

Imax: 15 V - 2*3,7 V Ufwd -> 7,6 V / 100 mA -> 76 Ohm (wird per PWM auf den richtigen Wert geregelt)
Bei 12 V und 2*4,6 fließt dann ein Imax von ca. 37 mA (das ist fast Dauer-On)

Das wäre soweit ok. Jetzt wäre das Thema Temperatur dran. Muß ich jetzt aber nicht wirklich haben :wink:

So würde ich da rangehen. Wenn nur wenige Exemplare gefertigt werden sollen, dann kann es anders laufen. Da nehme ich dann den typischen Wert, um dem worst-case Szenario zu entgehen.
Das hängt aber vom jeweiligen Einzelfall des Produktes ab.
Für die KFZ Industrie gelten meist hohe Stückzahlen zu extremen Discounterpreisen mit vollem Risiko für den Lieferanten.

Andere Variante:
Den MosFet über einen kleinen OpAmp als fest eingestellte Stromsenke zu betreiben:

so wie hier als high compliance current sink (Seite 14):
http://www1.jaycar.com.au/images_uploaded/LM158.PDF

Re kann dann so bei 24 Ohm liegen, damit du für Ve die Durchlaßspannung einer Si-Diode mit ca. 0.7 V nehmen kannst (wobei auch die gehörig streut). Oder eine gute Referenz. Damit würde ich mich mehr oder weniger elegant um die PWM mogeln:wink:
Du hast ja auch einen Strommesswiderstand reingemogelt:wink:

Letztlich entscheidet da die Kalkulation, was genommen würde. Denn die PWM will ja auch erzeugt und nachgeregelt werden. Ich gehe immer noch davon aus, daß wir eine möglichst konstante Leuchtkraft erreichen wollen.

Ich finde meine OpAmp Lösung am elegantesten. Ist ja auch mein Baby.
*vbg*
*duck*

mfg Ulrich

39

Hallo axel,

Nein. Die LED begrenzt den Strom selber. Eine LED hat eben
NICHT, wie gern näherungsweise gerechnet, einen KONSTANTEN
Spannungsabfall. Er ist Stromabhängig. Das heißt, je nach
Spannung stellt sich ein bestimmter Strom ein und umgekehrt.

hier hast Du natürlich recht. Dieses Verhalten habe ich bei der idealisierten LED mit 1 Ohm spezifiziert. Es bleibt aber dabei, dass der Lichtstrom proportional zum elektrischen Strom ist, und dass die zusätzlichen Verluste in der LED in erster Näherung einem strombegrenzenden Vorwiderstand entsprechen.

da, genau da ist dein Denkfehler. Wenn eine Drossel den Strom
begrenzt, dann wirkt sie wie ein ohmscher Widerstand.

Nein! Es geht um den Effekt, daß eine Drossel den Strom nicht
beliebig schnell ansteigen lässt! Wenn ein Kondensator direkt
an eine hohe Spannung gelegt wird (durch den Schalttransistor
des Schaltnetzteils) würde er sich mit einem riesigen Strom
aufladen - begrenzt durch den Innenwiderstand des
Kondensators, des Schalters und der Quelle (normalerweise auch
ein Kondensator). Das würde der Schalter nicht mitmachen (die
anderen Beteiligten auch nicht). Da der Strom durch eine
Drossel nicht ‚springen‘ kann, bremst sie den Stromanstieg
(s.o.).

auch hier nochmal: In der Praxis gibt es keine unendlichen Ströme, in der Theorie schon. Befasse dich einfach mal mit Strom und Spannung und Leistung an einer Spule.

Erst in
dem Augenblick, „wo der Strom noch ein wenig länger fließt“,
erst in diesem Augenblich unterscheidet sie sich vom Ohmschen
Widerstand dadurch, dass sie die ansonsten verloren Leistung
wieder „ausspuckt“.

Das ist die Anwendung einer Drossel im umgekehrten Wandlertyp

  • dem Aufwärtswandler. Dort nutzt man ja diesen Effekt aus, um
    einen Kondensator auf eine höhere Spannung aufzuladen, als man
    eingangsseitig zur Verfügung hat. Der Strom in der Drossel
    (den man im einen Takt induziert hat) ‚will‘ nach dem
    Abschalten des ‚Aufladetransistors‘ weiterfließen, was nur
    über die Aufladung eines Kondensators mit einer höheren als
    der ursprünglichen Spannung klappt.
    Das hat natürlich nichts mit einer Strombegrenzung zu tun. Ist
    eher sowas wie ein ‚zeitlich sequentieller Spartrafo‘.

Jetzt klarer geworden? (Ich weiß, wenn jemand etwas nicht
verstanden hat, liegt es am Erklärenden, also bitte hab’
Geduld mit mir.)

Dies ist keine Diskussion um recht haben oder recht bekommen. Du kannst z.B. einfach ein Simulationsprogramm befragen.

Axel, befasse Dich doch bitte noch einmal mit Spannung, Strom und Leistungen beim Schalten einer Induktivität. Du wirst in jedem Fall selbst herausfinden können, dass auch beim Abwärtswandler zusätzliche Verluste auftreten, wenn der Strom nicht weiter laufen würde. Lass einfach beim Abwärtswandler die (dafür notwendige) Diode weg und messe den Wirkungsgrad.

Gruß
achim.

P.S.: Statt weglassen der Diode musst Du sie natürlich als Freilaufdiode direkt an die Spule schalten, um Spannungsspitzen zu vermeiden.

40

Hallo Ulrich,
ich kann Deinen ganzen Rechnungen zustimmen. Bis auf einen Punkt:

Ich finde meine OpAmp Lösung am elegantesten. Ist ja auch mein
Baby.

Ich bevorzuge immer noch die PWM - weil ich diese Regelung für eine 12V-50W-Halogenlampe bereits mal konstruiert habe. Wobei hier allerdings die (Wechsel-)Spannung (mittels Triac / Phasenanschnittähnlich), nicht der Strom geregelt wurde, von einem ohnehin notwendigen uC gleich mit erledigt.

Offensichtlich denken wir aber in die gleiche Richtung :wink:

Gruß
Axel

41

Hallo Achim,

Es bleibt aber
dabei, dass der Lichtstrom proportional zum elektrischen Strom
ist, und dass die zusätzlichen Verluste in der LED in erster
Näherung einem strombegrenzenden Vorwiderstand entsprechen.

Volle Zustimmung.

auch hier nochmal: In der Praxis gibt es keine unendlichen
Ströme, in der Theorie schon. Befasse dich einfach mal mit
Strom und Spannung und Leistung an einer Spule.

Glaub mir, das hab’ ich. Ich durfte mich in meiner beruflichen Tätigkeit ausreichend auch mit der Entwicklung eines Schaltnetzteils befassen.
Energie hast Du übrigens noch vergessen in obiger Aufzählung :wink:

Du wirst in
jedem Fall selbst herausfinden können, dass auch beim
Abwärtswandler zusätzliche Verluste auftreten, wenn der Strom
nicht weiter laufen würde.

Ja sicher. Ganz abgesehen vom ‚Streß‘ der beteiligten Bauelemente. Irgendwohin geht die gespeicherte Energie der Drossel. Um die Verluste zu minimieren, sollte man sie möglichst ausnutzen, statt sie in Wärme umzusetzen.

Lass einfach beim Abwärtswandler
die (dafür notwendige) Diode weg und messe den Wirkungsgrad.
P.S.: Statt weglassen der Diode musst Du sie natürlich als
Freilaufdiode direkt an die Spule schalten, um
Spannungsspitzen zu vermeiden.

Da sind wir uns völlig einig. Mir ging es nur um den Punkt, daß eben eine Drossel hier nicht das gleiche bewirkt wie ein ohmscher Widerstand. Weder von der Funktion her noch von der Verlusten.

Gruß
Axel