12V 10W RGB-LED mit Arduino PWM steuern

[staivoup]

Servus,

ich will mir folgende RGB-LEDs kaufen (a). Ich möchte alle Kanäle mit 300mA befeuern, R mit 8V und G & B mit 12V Spannung beaufschlagen.

Ich habe vor mit einem 12V Natzteil in die Anode zu gehen. An jeden Farb-Kanal der Kathode (GND) will ich einen Vorwiderstand anbringen, hinter den ich einen N-Mosfet oder Transistor anbringe um damit die Farbe PWM zu Dimmen.

Nun habe ich Probleme den Vorwiderstand zu bestimmen. Das Ohmsche Gesetz sagt mir R=U/I. U ist der Spannungsabfall am Widerstand. Bei einem Arduino mit 3V/20mA LED wäre der Widerstand 2V/0,02A=100Ohm.

Jetzt will ich bei G & B aber keinen Spannungsabfall da ich bereits ein 12V Netzteil habe. 0/0,3 wäre 0Ohm. Ich habe aber von euch Profis gelernt, jede LED braucht immer und zwingend einen Vorwiderstand um den Strom zu begrenzen. Wie mache ich das in diesem Falle?

(a) https://www.amazon.de/dp/B00UFIWI8E/

TOOGOO(R) 5x High Power 10W LED RGB Chip Birne Licht Lampe Strahler DIY

[Bearonic]

Du solltest erstmal versuchen, an ein Datenblatt von den Teilen zu kommen. Den Angaben nach würde ich vermuten, dass die LEDs schon eine Konstantstromquelle integriert haben.

[staivoup]

Andere wie diese hier (b) haben auch keine KSQ integriert. Die wären dann auch schon arb Billig.

(b) LED Highpower Chip 10W RGB, SQUARE, 350mA je Farbe

[guntherb]

Die Durchflussspannung einer LED ändert sich mit der Temperatur, der Strom ändert sich mit der Spannung und zwar exponentiell. Daher muss der Strom durch eine LED immer begrenzt werden.
Bei kleinen LEDs macht man das mit Vorwiderstand, bei Grossen mit Konstantstromquelle (KSQ).

Ich bin mir sehr sicher, dass diese LEDs keine KSQ on board haben, das würde man auf dem Bild sehen.

Wenn du diese LEDs mit dem Arduino steuern willst, brauchst du also 3 KSQs, die mit PWM gesteuert werden können. z.B. LED Konstantstromquelle

[staivoup]

Tach guntherb,

soweit klar. Ich habe aber eine 12V Quelle für eine 12V LED (das Rot klammern wir jetzt mal aus). Die Spannung kann nicht steigen.

Warum genau reicht ein Vorwiderstand nicht aus?

[guntherb]

Um eine LED mit Vorwiderstand zu betreiben, brauchst du immer auch einen Spannungsüberschuss.

Betriebsspannung: Rot: DC6-8V, Gruen: DC9-12V, Blau: DC9-12V

z.B.: Rot, Rv= 15 Ohm
Untere Spannungsgrenze: I = (12V-6V) / 15 R = 400mA
Obere Spannungsgrenze: I = (12V-8V) / 15 R = 260mA
Verlustleistung Rv = 2,4W
Über die Streuung der LED hast du nun extreme Helligkeitsunterschiede, und ausserdem noch erhebliche Verlustleistung im Widerstand.

z.B.: Gruen , Rv= 10 Ohm
Untere Spannungsgrenze: I = (12V-9V) / 10 R = 300mA
Obere Spannungsgrenze: I = (12V-12V) / 10 R = 0mA
Über die Streuung der LED kann es sein, dass die LED gar nicht leuchtet.

Der Vorwiderstand wird einfach (bei 20mA LEDs) als billige Konstantstromquelle genommen, weil bei UF=3V und UB=12V die Helligkeitsunterschiede minimal sind.

[Theseus]

staivoup:
Ich habe aber eine 12V Quelle für eine 12V LED (das Rot klammern wir jetzt mal aus). Die Spannung kann nicht steigen.

In der Beschreibung steht 9-12V als Spannung. Das heißt nicht, dass sie mit einer beliebigen Spannung in dem Bereich betrieben werden können, sonndern, dass die Arbeitsspannung abhängig von Temperatur und Zustand der LED in dem Bereich liegt. Eine KSQ misst den Strom und stellt die optimale Spannung ein. Um diese Spannung herum fängt die LED recht plötzlich an zu leiten und kleine Spannungsänderungen haben große Stromänderungen zur Folge. Angenommen die richtige Arbeitsspannung der LED ist 11V, dann leuchtet sie bei 10,5V dunkel und wenige mA fließen. Dagegen wird schon bei 11,5V der Strom so groß, dass sie kein langes Leben hat.

[MaHa76]

Ich hab die gleichen LEDs, aber aus Asien für deutlich weniger Geld. Die Spannungsangaben weichen ab, spielen aber wie andere schon sagten eine 2. rangige Rolle.
Ich habe die meisten davon auch per Widerstand angeschlossen, die ältesten sind 3 Jahre im Einsatz. Einige habe ich auch mit einstellbaren DC DC Wandler eingemessen. Funktioniert auch gut, wobei ich nicht den max Strom ausreize, sondern nur 300mA.
Insgesamt habe ich davon ca. 50Stück im Einsatz und beleuchte damit meine komplette Wohnung. Bisher ohne Probleme.

KSQ kann man aber mit vertretbarem Aufwand auch selbst bauen, es reicht ein Transistor und ein Widerstand... Man kann wohl auch DC DC Wandler umbauen/ nutzen... das probier ich bei Gelegenheit mal...

edit: Was ganz wichtig ist ist eine gute Kühlung. Zum Befestigen nehm ich Wärmeleitkleber.

Und noch ein Tipp- man kann den gemeinsamen Pluspolauftrennen und damit mehrere LEDs in Reihe schalten.

[staivoup]

guntherb:
Um eine LED mit Vorwiderstand zu betreiben, brauchst du immer auch einen Spannungsüberschuss.

Soweit Klar.

guntherb:
z.B.: Rot, Rv= 15 Ohm
Untere Spannungsgrenze: I = (12V-6V) / 15 R = 400mA
Obere Spannungsgrenze: I = (12V-8V) / 15 R = 260mA
Verlustleistung Rv = 2,4W
Über die Streuung der LED hast du nun extreme Helligkeitsunterschiede, und ausserdem noch erhebliche Verlustleistung im Widerstand.

Jetzt für Rot, ich habe eine 12V Quelle. Ich lege eine Spannung fest die ich haben will und einen Strom. Ich will z.B. 7V und 300mA. I=(12-7)V / 0,3A = 17R. Die 17R kann ich ja durch Parallelschalten von Widerständen erstellen. Der verbrannte Verlust ist mit 1,5W dann schon merkbar und muss auch abgeführt werden. Soweit klar.

Ich verstehe jetzt nicht warum ich irgendwie streuen sollte, ich kann mich doch festlegen auf Werte.

guntherb:
z.B.: Gruen , Rv= 10 Ohm
Untere Spannungsgrenze: I = (12V-9V) / 10 R = 300mA
Obere Spannungsgrenze: I = (12V-12V) / 10 R = 0mA
Über die Streuung der LED kann es sein, dass die LED gar nicht leuchtet.

Der Vorwiderstand wird einfach (bei 20mA LEDs) als billige Konstantstromquelle genommen, weil bei UF=3V und UB=12V die Helligkeitsunterschiede minimal sind.

Jo, hier kann ich doch auch wieder z.B. 10V und 300mA nehmen mit einem 7R Widerstand. Ich verstehe auch hier nicht warum ich streuen sollte.

Aber mein eigentliches Verständnisproblem: Wenn ich 12V anpeile und eine 12V Quelle habe. Muß ich dann auch einen Vorwiderstand nehmen? Die Spannung kann ja nicht steigen, was ich mir vorstellen kann ist, dass der Widerstand in der LED fällt und damit der Strom steigt. Das wäre in der Tat ein Problem.

Theseus:
In der Beschreibung steht 9-12V als Spannung. Das heißt nicht, dass sie mit einer beliebigen Spannung in dem Bereich betrieben werden können, sonndern, dass die Arbeitsspannung abhängig von Temperatur und Zustand der LED in dem Bereich liegt. Eine KSQ misst den Strom und stellt die optimale Spannung ein. Um diese Spannung herum fängt die LED recht plötzlich an zu leiten und kleine Spannungsänderungen haben große Stromänderungen zur Folge. Angenommen die richtige Arbeitsspannung der LED ist 11V, dann leuchtet sie bei 10,5V dunkel und wenige mA fließen. Dagegen wird schon bei 11,5V der Strom so groß, dass sie kein langes Leben hat.

Wie weiß die KSQ die optimale Arbeitsspannung? Der "Leitwert" der LED steigt mit Temperatur, der Strom steigt an, regelt jetzt also die KSQ runter? Das ist natürlich ein Valides Argument für eine KSQ.

MaHa76:
Ich habe die meisten davon auch per Widerstand angeschlossen, die ältesten sind 3 Jahre im Einsatz. Einige habe ich auch mit einstellbaren DC DC Wandler eingemessen. Funktioniert auch gut, wobei ich nicht den max Strom ausreize, sondern nur 300mA.

Wie hast du die genau Ausgemessen? DCDC Wandler ist eine gute Idee für z.B. Rot. Ich habe einen Haufen 50ct Step-Down Regler die ich vor Rot machen könnte.

MaHa76:
KSQ kann man aber mit vertretbarem Aufwand auch selbst bauen, es reicht ein Transistor und ein Widerstand... Man kann wohl auch DC DC Wandler umbauen/ nutzen... das probier ich bei Gelegenheit mal...

edit: Was ganz wichtig ist ist eine gute Kühlung. Zum Befestigen nehm ich Wärmeleitkleber.

Von so einfachen KSQs hab ich mal gehört. Hast du einen Link, das wäre sehr nett.

Kühlung ist klar. Ich will die LEDs auf relativ große 5mm Alubleche aufkleben, ggf. Schlitze ich die noch von hinten um die Oberfläche zu erhöhen.

[Theseus]

staivoup:
Wie weiß die KSQ die optimale Arbeitsspannung? Der "Leitwert" der LED steigt mit Temperatur, der Strom steigt an, regelt jetzt also die KSQ runter? Das ist natürlich ein Valides Argument für eine KSQ.

Die KSQ ist eine Konstantstromquelle. Sie regelt nicht die Spannung, sondern hält den Strom konstant. Die Spannung dazu stellt sich automatisch ein, egal ob die LED 3,6V oder 25V zum Erreichen des Nennstroms braucht. Das Netzteil muss nur genug Strom und Spannung liefern können.

[MaHa76]

http://kompendium.infotip.de/konstantstromquelle.html

Hier mal ein Link zu Erklärungen bzgl. Konstantstromquelle, inkl. Schaltungsbeispielen...

Ich habe beim Einmessen einen grob gerechneten Widerstand (mit etwas Reserve genommen) genommen, damit die LED betrieben und den Strom gemessen- den Wert der sich nach ein paar Minuten (bei entsprechender Erwärmung) gezeigt hat hab ich als Basis genommen. Also z.b. wenn ich bei 300mA war, dann eben einen Widerstand für 350mA gerechnet.

Mit diesem Wert hab ich dann mal noch ein paar LEDs nachgemessen- ich habe bei den 50LEDs weder wesentliche Streuungen in der Stromaufnahme noch in der Helligkeit finden können.

Farbunterschiede hab ich nur, bei Lampen mit komplett verschiedener Beschaltung der LEDs...

Die besten Resultate hab ich bei LEDs die in Gruppen verschaltet sind und an ca. 36V hängen (mit DC-DC-Converter eingestellt) Dafür hab ich 12 LEDs, die roten 2x als 6er in Reihe, die blauen und grünen 3x als 4er- Reihe... da kommen nach meiner Messung jeweils ziemlich genau 36V raus und der Strom ist bei humanen 300mA, also bei max. Last 2,4A.

[guntherb]

staivoup:
Soweit Klar.

Jetzt für Rot, ich habe eine 12V Quelle. Ich lege eine Spannung fest die ich haben will und einen Strom. Ich will z.B. 7V und 300mA. I=(12-7)V / 0,3A = 17R.
...
Ich verstehe jetzt nicht warum ich irgendwie streuen sollte, ich kann mich doch festlegen auf Werte.

Die Durchlassspannung ist ein Datenblattwert und bauteilabhängig. Du kannst die nicht aussuchen und kannst sie auch nicht "festlegen".

staivoup:
Aber mein eigentliches Verständnisproblem: Wenn ich 12V anpeile und eine 12V Quelle habe. Muß ich dann auch einen Vorwiderstand nehmen?

ja.

wenn du es nicht verstehst, glaube es einfach.
Eine LED braucht immer irgend eine Art von Strombegrenzung.
das kann ein Widerstand sein, eine lineare Konstantstromquelle, oder eine getaktete KSQ.
aufgrund der hohen Verlustleistungen vermeidet man bei High Power LEDs die linearen methoden und nimmt getaktete KSQs.

staivoup:
Wie weiß die KSQ die optimale Arbeitsspannung? Der "Leitwert" der LED steigt mit Temperatur, der Strom steigt an, regelt jetzt also die KSQ runter? Das ist natürlich ein Valides Argument für eine KSQ.

Eine KSQ regelt, wie der Name Konstant Strom Quelle schon sagt, den Strom. Die Spannung stellt sich immer so ein, dass der gewünschte Strom fließt. (in den Grenzen des physikalisch Möglichen)

Schaltungen für einfache, Transistorbasierte Konstantstromquellen gibts wie Sand am Meer:
Google Konstantstromquelle

Aber alles, was nicht getaktet ist, verursacht hohe Verlustleistungen. Der Aufbau lohnt nicht. Getaktete KSQs gibts fürn Appel und 'n Ei bei Ebay: LED Treiber 350mA

[staivoup]

Danke für die Antwort. Ich glaube dir wenn du sagst es braucht immer einen Vorwiderstand.

guntherb:
Die Durchlassspannung ist ein Datenblattwert und bauteilabhängig. Du kannst die nicht aussuchen und kannst sie auch nicht "festlegen".

Rein zum Verständnis, ich habe den Wert aus der Artikelbeschreibung, du hast dieses auch Zitiert und als Basis für deine Annahmen verwendet. Ich nehme auch an der entspricht dem Datenblatt. Warum kann ich den Wert nicht in den Grenzen festlegen?

MaHa76: Vielen Dank für die Erklärung und den Link.

Ich muß mal überlegen was ich mache.

[MaHa76]

Wie viele LEDs willst du denn davon einsetzen und zu welchem Zweck?

Wird es eine richtige Raumausleuchtung für mehr Helligkeit und mehrere Räume?

Oder nur etwas hellere Effektbeleuchtung?

[staivoup]

Ich will etwas Effektbeleuchtung fürs Wohnzimmer. In der Mitte unter der Decke sollen vier der RGB-LEDs 90° versetzt im ca. 30° Winkel zur Decke strahlen. Das will ich mit einem Pro-Mini mit Shiftpwm-Lib und einer IR-Fernbedienung realisieren. Dort oben habe ich 230V wovon ein kleines Steckernetzteil abgeht.

Also nichts wildes. Die sollen auch nicht immer in Betrieb sein.

[MaHa76]

Na das klingt ja umsetzbar... schalte alle 4 in Reihe, machen mit DC-DC- Converter ca. 36V für blau und gruen und ca. 24V für rot... miss das selbstverständlich ordentlich ein. Eventl. trennst du gruen und blau- meine Erfahrung ist, dass bei selber Spannungsquelle ein höherer Strom durch gruen fließt. Ist nicht viel, kann aber grünstichig werden.

Schöne Farben bekommst du mit FastLed Library hin, via HSV, das umwandlen auf RGB- Ausgänge macht die lib gleich mit.

[agmue]

In diesem Thema schwingt ja die Frage mit, wieso man eine 12V-LED nicht einfach an 12V anschließen kann. Uwe hat mal diese Kennlinien verwendet, mit denen ich etwas Theorie beisteuern möchte:

Ein ohmscher Widerstand hat eine lineare Kennlinie. Ändert sich die Spannung, ändert sich proportional der Strom und umgekehrt. Eine LED hat eine nichtlineare Kennlinie, nehmen wir mal die grüne im Bild. Bis 1,8 V verläuft sie flach, in diesem Bereich kann man sie problemlos mittels einer Spannung ansteuern, der Strom verändert sich nur geringfügig. Da die LED in diesem Bereich aber nicht sichtbar leuchtet, müssen wir einen Punkt auf der Kurve nutzen, der weiter rechts ist. Der Arbeitspunkt liege laut imaginärem Datenblatt bei 2 V und 10 mA. Wenn ich also an die LED 2 V anlege, dann fließen 10 mA und gut? Im Prinzip ja.

ABER eine kleine Änderung der Spannung bedeutet wegen der Steilheit der Kurve eine große Änderung des Stromes. Eine Änderung von 2 auf 2,2 V (nur 10 %) führt zu einer Verdoppelung des Stromes!

Aus Sicht des Stromes verläuft die Kurve im Arbeitspunkt aber flach, daher ist eine Stromquelle geeigneter.

Was spricht gegen eine genaue Spannungsquelle? Die Kurve im Datenblatt ist mehrdimensional zu verstehen. Manche Datenblätter geben Kurvenscharen wieder, wobei beispielsweise die Temperatur als Parameter angegeben wird. Bei stromhungrigen LEDs ist die Eigenerwärmung ein wichtiger Faktor für den Kurvenverlauf. Darüberhinaus streut die Fertigung, weshalb Datenblätter meist typische Werte angeben.

Nehmen wir mal an, durch die Temperatur ändert sich die rote in die gelbe Kennlinie. Dann fließen bei den gerade noch richtigen 2 V plötzlich 20 mA, also der doppelte Strom! Das wird unsere imaginäre LED nicht mitmachen. Eine konstante Spannung schützt also nicht die LED. Nur unter Berücksichtigung der Erwärmung und Wahl einer kleineren Spannung von 1,9 V wird die LED keinen Schaden nehmen. (Mir geht es hier nur ums Prinzip. Was bei veränderten Bedingungen tatsächlich passiert, entnehme man bitte realen Datenblättern!)

Die von MaHa76 angesprochene Praxis läßt es durchaus zu, für den Einzelfall unter Berücksichtigung aller Einflußparameter eine LED mittels geregelter Spannung anzusteuern. Wenn man sich dann noch eher zur sicheren Seite orientiert, überstehen die LEDs möglicherweise sogar eine Spannungsspitze im Stromnetz.

Wenn Du es tuen möchtest, dann tue es, aber raten tue ich Dir nicht dazu, Gewährleistung gibt es keine von mir. Ich hoffe aber, etwas zum Grundverständnis beigetragen zu haben

Hinsichtlich Details verweise ich auf sicherlich bessere Beschreibungen andernorts.

[MaHa76]

Ich unterstreiche das zu 100% - schöne Gegenüberstellung von Theorie und Praxis.

Mit meinem Umzug im Januar kommen übrigens noch mal gut 10 Lampen dazu - da hab ich dann auch anvisiert an Kühlung und Stromversorgung deutlich zu optimieren, um die Sicherheitsreserven besser nutzen zu können.

Ich will in dem Zuge schauen, ob man die Strombegrenzung über den Arduino (bzw. Teensy LC) erledigen kann.

[Theseus]

staivoup:
Das will ich mit einem Pro-Mini mit Shiftpwm-Lib und einer IR-Fernbedienung realisieren.

Hallo,

wenn du die LEDs eh per PWM regulieren willst, dann kann ich dir eine kleine KSQ pro Farbkanal ans Herz legen. Passende gibt es schon für 1,50Euro (Beispiel) Wenn nicht jede Led eine eigene Farbe haben braucht, kannst du zwei Led-Module in Reihe an die KSQ anschließen, die dann allerdings mit höherer Spannung betrieben werden muss (anderes Netzteil oder Step-Up-Wandler).

[agmue]

MaHa76:
Ich unterstreiche das zu 100% - schöne Gegenüberstellung von Theorie und Praxis.

Danke