Effiziente LED-Innenbeleuchtung

Ein weiterer Beitrag von Lukas Salzburger – ich kann ihn einfach zu keinem eigenen Account überreden

Da ein Innenlicht beim campen im Auto sehr praktisch sein kann, aber leider die kleine Batterie sehr belastet, habe ich beschlossen, uns eine schöne, effiziente LED-Lampe zu bauen.
Das Wichtigste dabei war neben dem Wirkungsgrad ein Aufbau auf einer handelsüblichen Lochrasterplatine.

Bevor ich die Schaltung vorstelle, sei natürlich erwähnt, das diese Beschreibung -wie alle anderen hier auch- selbständiges Denken nicht ersetzen soll und auch gar nicht kann. Wer die Lampe nachbauen will, sollte also mindestens das Ohmsche Gesetz kennen und wissen, wie man einen Lötkolben anfasst. „Heißer“ Tip: Spätestens beim 2. Mal weiß man, wo man ihn nicht berühren darf

Zuerst ein paar Grundsätzliche Dinge zu LEDs: LEDs sind cool, und zwar im doppelten Sinn:

Sie haben einen sehr großen Wirkungsgrad, d.h. konkret, das sie im Vergleich zu z.B. einer Glühlampe sehr wenig Wärme und viel Licht bei gleicher Leistung produzieren.

Die altbekannte Glühbirne wandelt ja bekanntlich nur 5% der zugeführten elektrischen Energie in sichtbares Licht um, der Rest wärmt das Zimmer/Auto/etc.

Der Wirkungsgrad von LEDs ist hingegen nicht so einfach anzugeben. Zum einen gibt es eine große Qualitätsstreuung und zum anderen hängt er auch vom Farbton ab.

Zu Beleuchtungszwecken wird man üblicherweise weiße LEDs verwenden, außer man will es schön romantisch haben, da sind die roten Varianten empfehlenswert…

Nun ist es aber so, das es (noch!) keine „richtigen“ weißen LEDs gibt. Es handelt sich dabei entweder um Blaue mit einer Umwandlungsschicht oder man kombiniert mehrere Farben (Stichwort RGB) um einen weißen Farbeindruck zu erzielen.

Üblicherweise kann man sagen, das die LED effizienter wird, je bläulicher, also „kälter“ die Lichtfarbe ist. Leuchtdioden mit einer der normalen Glühbirne ähnlichen Farbtemperatur haben leider keinen besonders hohen Wirkungsgrad.

Unterm Strich gehören LEDs zu den effizientesten uns bekannten (künstlichen) Lichtquellen.

Ich hatte eine OSRAM Golden DRAGON mit 350mA Maximalleistung vorrätig und habe sie deshalb verwendet. Nicht ganz billig, (3,5€), aber wirklich sehr gute Qualtität und Dokumentation.

Die andere Bedeutung von „cool“ ist leider nicht ganz so toll: Da Leuchtdioden Halbleiter sind, dürfen sie eine „Innentemperatur“ (Sperrschichttemperatur) von etwa 125°C nicht überschreiten.

Daher ist bei Hochleistungsleds ein geeigneter Kühlkörper vorzusehen. Besser zu groß als zu klein…

Nun zur Ansteuerung: LEDs sind stromgesteuerte Bauteile. Das bedeutet, das man durch sie einen bestimmten Strom schicken muss, um sie zum Leuchten zu bringen. Die über der LED abfallende Spannung stellt sich dann abhängig vom Strom und der Temperatur ein.

Wir benötigen also eine Stromquelle. Am einfachsten geht das mit einem Vorwiderstand. Die Berechnungsfaustformel hierfür lautet Vorwiderstand=(Betriebsspannung – Durchlassspannung) / Strom.

Daher haben wir 3 Probleme:

Die Betriebsspannung im Auto ist keinesfalls immer 12V. Im Gegenteil. Das Bordnetz eines Autos ist eines der schlimmsten Dinge, die man einem Gerät antun kann. Spannungsschwankungen zwischen 8 V (beim Starten) und 14,5V (Batterie voll) sind der Normalfall. Dazu kommen Störungen mit Amplituden von bis zu 100V. Diese bekommt man aber mit geeigneten Schutzschaltungen in den Griff, doch dazu kommen wir später.

Die Durchlassspannung der Diode ist wie bereits erwähnt ebenfalls nicht konstant, sondern vom Strom (und auch von der Temperatur) abhängig. Mit einem einfachen Vorwiderstand wird die Helligkeit also nicht konstant sein.

Der größte Nachteil ist aber die am Widerstand abfallende Spannung.

Dazu ein konkretes Beispiel: Eine 100mA LED mit 3.8V Durchlassspannung hängt an 12V. Dazu ist ein Vorwiderstand von 82Ohm nötig. An diesem Widerstand fällt eine Verlustleistung von (100mA)²*82Ohm = 0,82W ab.

Die andere Möglichkeit ist eine Stromquelle mit Linearregler. Dieses Bauteil schickt einen einstellbaren Strom durch die LED und hält diesen auch konstant, unabhängig von Betriebsspannung und Last. Der Nachteil dieser sehr einfachen und robusten Variante ist jedoch, das die „übrige“ Spannung am Linearregler abfällt. Die Leistungsbilanz sieht also nicht besser aus als mit dem simplen Widerstand, die LED wird aber länger leben und hat eine konstante Helligkeit.

Die technisch beste Lösung ist ein Schaltregler. Dieser nutzt im Prinzip die Speicherfähigkeit eine Induktivität um durch geeignetes Ein- und Ausschalten eine von der Eingangsspannung verschiedene Ausgangsspannung zu erzielen.

Auf genauere Erklärungen will ich hier verzichten und die allseits beliebte Wikipedia empfehlen:

http://de.wikipedia.org/wiki/Abw%C3%A4rtswandler

Im Gegensatz zum Linearregler wird die überflüssige Spannung nicht einfach verbraten. Derzeit sind Schaltungswirkungsgrade von über 95% möglich, allerdings nur bei bestimmten Spannungsverhältnissen und mit hochwertigen Bauteilen. Bei meiner Schaltung sind 85% realistisch.

Für Autos gibt es zwar bereits einige spezielle LED-Treiber, diese haben aber alle ein von Hand nicht lötbares Miniaturgehäuse. Die meisten anderen arbeiten nur mit max. 5.5V Eingangsspannung und würden daher einen zusätzlichen Spannungswandler nötig machen. Lötfreundlich sind nur die wenigsten.

Mit der Erhältlichkeit für Privatpersonen sieht es bei diesen Spezialteilen prinzipiell schlecht aus.

Also selbermachen:

Das interne Schaltungsprinzip eines Schaltreglers muss man gar nicht komplett verstehen, da es zahlreiche fertige Bausteine auf dem Markt gibt. Glücklicherweise auch im bastelfreundlichen DIP-Gehäuse.

Das konkrete Modell ist prinzipiell egal, ich hatte einen MAX5035 herumliegen. Der Hersteller MAXIM (Nein, der hat nix mit dem Frauenmagazin zu tun…) ist aber für die schlechte Verfügbarkeit seiner (genialen!) Bauteile berüchtigt.

Aus dessen Application Note AN3668 stammt auch das Grundprinzip der Schaltung:

Ein Schaltregler hat einen Pin um die Ausgangsspannung einzulesen. Die interne Schaltung regelt sich nun so aus, das dieser Pin immer auf einen bestimmten Wert gehalten wird. Bei einem 5V-Regler versucht die Schaltung also, die Spannung am Ausgang (und damit am Feedback-Pin) genau auf 5V zu halten. Liegt die Spannung zu hoch, wird für eine kürzere Periode der „Energiespeicher“, die Induktivität (Spule), aufgefüllt, liegt sie zu niedrig, wird der Speicher länger gefüllt. Der ganze Vorgang passiert je nach Regler mit 100kHz bis einigen MHz. Die verwendete Spule muss natürlich für diese Frequenz geeignet sein, ihre Resonanzfrequenz sollte also darüber liegen.

Zum LED-Treiber wird der Schaltregler, wenn wir den Feedback – Pin so beschalten, dass er nicht auf eine bestimmte Ausgangsspannung regelt, sondern auf einen Ausgangsstrom.

Kurz gesagt: Bei Sollstrom durch die LED muss genau die Feedback-Spannung des Spannungsreglers an dessen Feedback-Pin anliegen.

Dieser wir gemessen, indem ein Messwiderstand (SHUNT) in Reihe mit der LED geschaltet wird.

Die einfachste Lösung ist nun, einen Spannungsteiler zwischen der Betriebsspannung und dem Shunt aufzubauen. Dieser muss so berechnet werden, das z.B. bei 100mA Strom durch die LED die Feedbackspannung des Schaltreglers am Pin anliegt. Das Problem der schwankenden Betriebsspannung kann gelöst werden, indem ein Linearregler mit sehr wenig Eigenverbrauch eine Referenzspannung von z.B. 5V generiert. Sein schlechter Wirkungsgrad stört hier nicht, da er ja kaum belastet wird.

Der MAX5035 in der D-Variante hat eine Feedbackspannung von 1,22V. Mit einem Shunt von 5Ohm fällt an diesem bei 100mA 0.5V ab. Mit 5V Referenzspannung benötigt man einen unteren Widerstand von 2kOhm und einen oberen von 10k, damit am unteren Widerstand 1,22V abfallen.

Die andere Möglichkeit ist, die am Shunt abfallende Spannung mit einem Operationsverstärker auf die benötigten 1,22V zu verstärken. Das hat den zusätzlichen Vorteil, das der Shunt kleiner sein kann. Der Operationsverstärker kommt mit einer schwankenden Betriebsspannung problemlos zurecht, man muss nur darauf achten, das der gewählte Typ mit >15V versorgt werden kann und Rail-to-Rail Eingänge hat. Ich habe einen LT1494 von Linear Technology verwendet. Das Teil ist schön robust und braucht nur 1,5µA. Zum einstellen der Verstärkung dient ein 10k Trimmpoti. Dieses lässt sich wesentlich besser einstellen als ein normales Potentiometer.

Als Shunt hat sich ein 1.1Ohm Widerstand angeboten. Beim Shunt muss man auf die maximale Verlustleistung der Widerstände achten. Hat man keine Lastwiderstände zur Hand, kann man einfach ein paar gewöhnliche 1/4W Drahtwiderstände parallelschalten.

Je nach verwendetem Schaltregler kann der Schaltregler auch noch Pins zum deaktivieren (SHDN, RST, …) oder zur Meldung eines Fehlers (FAIL, POWER OK, …) haben. Diese sind natürlich entsprechend zu beschalten.

Einige Regler haben die Diode bereits integriert, ansonsten sollte man einen geeigneten Typ nehmen. Die altbewährte 1N5819 funktioniert bei mir problemlos, das hängt aber natürlich vom verwendeten Schaltregler ab. Beim Auswählen der Induktivität hilft auch das Datenblatt, die dort vorgeschlagenen Typen sind jedoch normalerweise kaum erhältlich. In diesem Fall sollte man eine geeignete Alternative mit möglichst geringen Widerstand und ausreichend hoher Resonanzfrequenz wählen.

Kommen wir nun noch zum Schutz vor dem „bösen“ Bordnetz:

Bewährt hat sich die folgende Kombination von Bauteilen:

Zuerst kommt eine geeignete Sicherung, dann eine Drossel mit ausrechender Leistung. Das wie eine Doppelte Diode aussehende Schaltzeichen ist eine Suppressordiode. Sie leitet kurze Überspannungsimpulse ab. Danach folgt als Verpolungsschutz eine Schottkydiode und am Schluss ein Kondensator mit ausreichender Spannungsfestigkeit (16V reicht nicht!)

Kommerzielle Produkte enthalten oft eine wesentlich schlechteren oder gar keinen Schutz. Erkennbar sind sie oft an dem kleinen Text „Nur bei abgestellten Motor benutzen“, da die erwähnten Störungen im Wesentlichen nur beim Fahren vorhanden sind, kann man ev. Auch auf sie verzichten, wenn die Lampe nur bei stehendem Auto eingesteckt wird.

Zum Abschluss noch die Warnung, das Hochleistungsleds wirklich sehr hell sind und man auf keinen Fall direkt reinschauen sollte!

Viel Spass!

Tags: Beleuchtung, Camper, Innenbeleuchtung, LED, Polo