COB LED Schaltungen

Haben Sie produktspezifische Fragen ?

Moderator: T.Hoffmann

bebbo1
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Mi, 24.09.14, 13:00

Hallo Leute,

im Rahmen einer Arbeit ist ein LED Modul zu erstellen. Das ganze wird in Richtung COB gehen.
Jede Led braucht 3,1V bei einem Strom von 20mA. Es sollen 30 LEDs auf eine Platine. Für mich war es eigentlich ganz klar das ganze wie auf Bild 1 zu verdrahten (Widerstandswert etc. nicht beachten es geht nur um den Schaltungsaufbau).
Bild
Bild1

Gerade eben habe ich aber folgende Schaltung entdeckt.
Bei der zweiten Schaltung bin ich aber völlig überfragt. Der parallele Widerstand dient zum Schutz? Leider ist mir nicht klar wie der Widerstand schüzten soll.
Bild
Bild2

Kann mir jemand Vorteile von der Schaltung in Bild 2 nennen? Oder ist die Schaltung im Bild 1 sinnvoller?

Vielen Dank & Freundliche Grüße
winharda
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Mi, 24.09.14, 13:07

Hallo, das "Protection Device" wird kein Widerstand sein und nur symbolisch als Rechteck dargestellt. Gruß Andreas
bebbo1
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Mi, 24.09.14, 13:11

winharda hat geschrieben:Hallo, das "Protection Device" wird kein Widerstand sein und nur symbolisch als Rechteck dargestellt. Gruß Andreas
Vielen Dank! Weißt du was das "Protection Device" für ein Bauteil sein könnte?

Welche Schaltung würdest du wählen?
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Achim H
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Mi, 24.09.14, 13:23

Das Protection Devise ist meist eine gewöhnliche Z-Diode.
bebbo1
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Fr, 26.09.14, 10:33

vielen Dank! :) Kann mir trotzdem jemand Vorteile für eine Schaltung nennen?
Borax
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Fr, 26.09.14, 11:22

Ist nur ein Schutz bei falscher Polung. Und auch da nur sehr begrenzt wirksam. Schließlich ist das dann ein Fast-Kurzschluss, den diese Schutzdiode auch nur sehr kurze Zeit verträgt. Man muss dann schon mit einer zusätzlichen Maßnahme (schnelle Sicherung) dafür sorgen, dass dieser Kurzschlussstrom nur kurz fließen kann.
Loong

Fr, 26.09.14, 12:10

Das "Protection Devise" ist ein ESD-Schutz, üblicherweise eine Surpressor-Diode.
ustoni
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Fr, 26.09.14, 15:49

Hallo, bebbo!
Um auf Deine eigentliche Frage zurück zu kommen:

Schaltung 1 entspricht der Standardlösung:

Vorteil: Hierbei können beliebige LEDs mit annähernd gleicher Vorwärtsspannung verwendet werden.
Nachteile: durch den Vorwiderstand entsteht ein Verlust von ca. 25% (zusätzlich zum Verlust durch die Stromversorgung).
Wenn eine LED ausfällt, leuchtet ein ganzer Strang nicht mehr.

Schaltung 2 ist die optimale Lösung, allerdings gelten hierbei Einschränkungen:

1. Alle verwendeten LEDs müssen aus der gleichen Produktionsserie stammen. Bei SMD-LEDs ist dies leicht daran zu erkennen, dass alle LEDs im gleichen Plastikstreifen geliefert werden. Bei bedrahteten LEDs wird es schwieriger. Unmöglich ist es nicht, man muss dann aber die Möglichkeit haben, jede einzelne LED selbst ausmessen zu können.
2. Diese Schaltung sollte möglichst über eine KSQ (Konstantstromquelle) betrieben werden. Der Ausgangsstrom der KSQ muss dabei dem Einzelstrom der LEDs multipliziert mit der Anzahl der parallel geschalteten LEDs entsprechen.
Ein Betrieb mit einer konstanten Spannung ist zwar prinzipiell auch möglich, allerdings nur dann, wenn man genau weiß was man tut, die entsprechenden Möglichkeiten hat und in diesem Forum diesbezüglich nicht nachfragen muss. :-)

Vorteil: mit Schaltung 2 erreicht man die optimal mögliche Effizienz. Sollte eine LED ausfallen, leuchten alle anderen immer noch.
Nachteil: siehe Einschränkungen.

Welche LEDs willst Du denn verwenden? Ohne weitere Infos empfehle ich Dir Schaltung 1.

Gruß
ustoni
bebbo1
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Mo, 29.09.14, 07:37

vielen Dank für die umfangreiche Antwort! Es sollen Cree DA Chips verwendet werden.
http://www.cree.com/LED-Chips-and-Mater ... DA2432-LED
Denkst du das diese Chips für Schaltung 2 geeignet sind?
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Achim H
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Mo, 29.09.14, 08:08

Schaltung 2 ist nur dann machbar, wenn alle Leds selektiert wurden.
Nur wenn alle Leds eine gleich hohe Vorwärtsspannung haben, teilt sich auch der Strom gleichmäßig auf.

In einer Reihenschaltung spielt die Höhe der Vorwärtsspannungen aller Leds keine Rolle, da durch alle Leds der gleiche Strom geschickt wird.
Die Höhe der Vorwärtsspannungen ist nur für die Ermittlung eines Ausgangsspannungsbereiches der Konstantstromquelle relevant.
ustoni
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Mo, 29.09.14, 09:01

Wie Achim schon geschrieben hat, müssen die LEDs für Schaltung 2 die gleiche Vorwärtsspannung aufweisen.
Wenn die LEDs aus der gleichen Produktionsreihe stammen (also in einem Plastikstreifen geliefert werden), liegt die Streuung der Vorwärtsspannungen erfahrungsgemäß bei unter 3 mV, was einer Abweichung des Stroms von etwa 6% entspricht. In diesem Fall ist Schaltung 2 bei Verwendung einer KSQ problemlos machbar.

Alle Achtung! Die von Dir ausgewählten LEDs haben gerade mal eine Größe von 0,32 x 0,24 mm! Bedenke beim Entwurf, dass der Kathodenanschluss auch die entstehende Wärme ableitet.
bebbo1
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Mo, 29.09.14, 09:10

okay, vielen Dank! Ich finde es gut, dass man sich bei Schaltung 2 die Widerstände sparen kann. Somit braucht man nur eine Z-Diode? Die man einfach parallel dazu schaltet und eine Konstantstromquelle?
ustoni
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Mo, 29.09.14, 09:23

Laut Datenblatt vertragen die LEDs elektrostatische Spannungen bis 1000 V. Die Suppressordiode kannst Du Dir deshalb sparen.
Im Betrieb regelt die KSQ die erforderliche Vorwärtsspannung ohnehin.
Zuletzt geändert von ustoni am Mi, 01.10.14, 01:36, insgesamt 1-mal geändert.
bebbo1
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Mo, 29.09.14, 09:58

okay, würdest du also Schaltung Nr. 2 wählen? Oder lieber auf Nummer sicher gehen und Schaltung 1 wählen (Bzgl. Durchflussspg. Fertigungstoleranz etc.)
Borax
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Mo, 29.09.14, 10:24

Kommt drauf an... Wenn die LEDs selektiert werden können (auf gleiche Flussspannung beim anvisierten Strom), thermisch ganz sicher gleich laufen (sich also im Betrieb nicht unterschiedlich stark erwärmen), nicht an ihrer Leistungsgrenze betrieben werden und zum Betrieb eine KSQ vorgesehen ist, dann würde ich auf die Widerstände verzichten. Das wird auch bei den 'professionell' gefertigten COB LEDs so gemacht. Bei unklaren Verhältnissen (z.B. Betrieb an nur mehr oder weniger konstanter Spannung) und möglicherweise unterschiedlicher Erwärmung der einzelnen LEDs würde ich Variante 1 verwenden, wie das auch bei üblichen kommerziellen LED-Stripes gemacht wird.
ustoni
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Mo, 29.09.14, 10:50

Ich persönlich würde Schaltung 2 wählen. Auszug aus dem Datenblatt:
APPLICATIONS
• General Illumination
– White LEDs
– Chip-on-Board (COB)
– Multi-chip Arrays
– High Voltage Arrays


Die Anwendungen COB und Multichip Array sind also für diese LEDs vom Hersteller sogar vorgesehen. Wichtig ist halt nur, dass die LEDs aus der gleichen Fertigungsreihe stammen (siehe oben).

Wenn Du auf Nummer sicher gehen willst, musst Du die LEDs eben ausmessen. Für solche Zwecke und zum Testen der Funktion von LEDs habe ich mir einen kleinen (simplen) "Tester" aufgebaut:

Batterieclip plus --------- Widerstand, 470 Ohm ---- Bananenstecker rot ------------ Meßspitze rot
Batterieclip minus -------------------------------------------- Bananenstecker schwarz ---- Meßspitze schwarz

Betrieben mit einer 9V Batterie ergibt das einen LED-Strom von ca. 12 mA. An die Bananenstecker kannst Du ein Multimeter anschließen und die Vorwärtsspannung direkt messen. Allerdings benötigst Du hierfür ein 4 1/2-stelliges Multimeter. Die Abweichungen sollten unter +/-5 mV vom Mittelwert liegen.
Sollten die Abweichungen größer sein, kannst Du die LEDs auf diese Art selektieren. In Schaltung 2 müssen nur die jeweils parallel geschalteten LEDs die annähernd gleiche Vorwärtsspannung haben. Die Vorwärtsspannungen der einzelnen Parallelschaltungen dürfen voneinander abweichen.

Wichtig sind auch die Hinweise von Borax, besonders bezüglich der Bestromung. Laut Datenblatt darf der Vorwärtsstrom zwar maximal 100 mA betragen. Nennstrom ist aber 20 mA, mit mehr als 30 mA würde ich die LEDs nicht betreiben. Bei 20 mA erreichst Du die optimale Effizienz. (Bei noch kleineren Strömen arbeiten die LEDs natürlich noch effizienter, dann steigen aber Aufwand und Kosten)
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Di, 30.09.14, 09:12

vielen Dank für die nützlichen Antworten. Ich habe noch eine weitere Frage. Kann man den Widerstand weglassen wenn man die LEDs an einer Konstantstromquelle betreibt?
ustoni
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Di, 30.09.14, 11:18

Ich gehe mal davon aus, dass sich Deine Frage auf Schaltung 1 bezieht.

So wie die Schaltung in Deinem ersten Post gezeichnet ist, ist sie für den Betrieb an einer konstanten Spannung ausgelegt. Nehmen wir an, die LEDs haben eine Vorwärtsspannung von 3 V. Über der Reihenschaltung von 3 LEDs fallen somit 9 V ab. Die restlichen 3 V (12 V - 9 V) fallen über dem Widerstand ab. Daraus ergibt sich ein Strom von I = U/R = 3 V / 75 Ohm = 40 mA. D.h. in dieser Schaltung "regelt" der Widerstand den Strom.
Diese Schaltung verwendet man normalerweise in 2 Fällen:
1. Es werden nur relativ wenige LEDs verschaltet, der Verlust über die Widerstände fällt dann nicht so sehr ins Gewicht.
2. Die Vorwärtsspannungen der LEDs können untereinander abweichen, da nicht bekannt ist, ob sie aus einer Charge stammen. In so einem Fall kann die Vorwärtsspannung der einzelnen LEDs durchaus um +/- 0,3 V voneinander abweichen. In diesem Fall muss die Schaltung mit Vorwiderstand betrieben werden.

Wenn alle Vorwärtsspannungen annähernd gleich sind (ausgemessen oder gleiche Charge), kannst Du die Widerstände theoretisch auch weglassen und das 12 V-Netzteil durch eine 200 mA KSQ ersetzen. Der Strom teilt sich dann ziemlich gleichmäßig auf die 5 Reihenschaltungen auf, durch jede Reihenschaltung fließt dann auch ein Strom von ca. 40 mA (200 mA / 5).

Diese Schaltung hat aber 2 Nachteile:
1. Die Vorwärtsspannungen der jeweiligen Reihenschaltung addieren sich, damit addieren sich auch die Abweichungen. Es ist zwar nicht sehr wahrscheinlich, aber theoretisch können sich die Abweichungen so ungünstig addieren, dass die Stromaufteilung nicht mehr so gleichmäßig ist.
2. Fällt eine der LEDs aus, leuchtet gleich ein ganzer Strang nicht mehr, in diesem Fall bleiben also gleich 3 LEDs aus. Noch gravierender: durch den ausgefallenen Strang fließt dann auch kein Strom mehr. Durch die verbleibenden 4 Stränge fließen dann 200 mA / 4 = 50 mA. Das kann schnell zu einer Art Kettenreaktion führen, wodurch alle Stränge ausfallen.

Für den Betrieb an einer KSQ würde ich Schaltung 1 deshalb nicht empfehlen. Hier ist eindeutig Schaltung 2 vorzuziehen.

Ich selbst habe inzwischen gut ein Dutzend Leuchten nach Schaltung 2 aufgebaut. Die ersten dieser Leuchten verrichten inzwischen seit mehr als 2 Jahren ihren Dienst problemlos. Verwendet habe ich dabei SMD-LEDs der 757er-Serie von Nichia.

Wirklich sinnvoll wird so eine Schaltung eher bei einer größeren Anzahl LEDs.
Beispiel:
Bei einer Leuchte habe ich je 12 LEDs parallel geschaltet und 10 Parallelschaltungen in Reihe, zusammen also 120 LEDs. Ausschnitt:
Nichia.jpg
Betrieben wird das ganze mit einer 700 mA-KSQ. Durch jede LED fließen damit 700 mA / 12 = 58 mA. Sollte jetzt in einer Parallelschaltung mal eine LED ausfallen, verbleiben noch 11 parallel geschaltete LEDs. Der Strom würde sich dann auf 63 mA erhöhen. Die verwendeten LEDs haben einen zulässigen Maximalstrom von 150 mA, eine Überlastung ist daher auch bei dem einen oder anderen Ausfall ausgeschlossen. Die nachfolgende Parallelschaltung "sieht" dann wieder die vollen 700 mA, die sich dann wieder auf 12 LEDs gleichmäßig aufteilen.

Fällt also in Schaltung 2 eine LED aus, leuchtet nur die ausgefallene LED nicht, alle anderen bleiben an. (Ausnahme: die defekte LED bildet einen Kurzschluss, dann leuchtet die ganze Parallelschaltung nicht mehr. So einen Fall habe ich aber noch nie erlebt. Bisher war jede defekte LED hochohmig.)

Für den Betrieb mit KSQ würde ich Dir deshalb Schaltung 2 empfehlen.
bebbo1
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Di, 30.09.14, 11:57

Okay, super:). Deine Erklärung klingt plausibel. Hast du bei deiner abgebildeten Schaltung auf einen Widerstand verzichtet? Die Spannung musste nicht eingestellt werden?
ustoni
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Di, 30.09.14, 12:20

Ja, natürlich.

Bei einer KSQ ist kein Widerstand nötig.

Wie oben beschrieben, wird durch den Widerstand der Strom eingestellt. Die gleiche Funktion hat die KSQ. Es ist daher immer nur eines von beidem nötig.

Und nochmal:
Nein, die Spannung muss nicht eingestellt werden. Das regelt die KSQ automatisch.
Beispiel: Das PLM-12-350 von Meanwell
http://elpro.huck-fresow.de/shop/_pdf_groups/2028.pdf
liefert einen Ausgangsstrom von 350 mA. Der Ausgangsspannungsbereich muss dabei zwischen 22 V und 36 V liegen. Es müssen folglich mindestens 8 weiße LEDs in Reihe geschaltet werden (8 x 3 V = 24 V) bzw. maximal 11 (11 x 3 V =33 V). Mit 12 LEDs könnte es auch noch funktionieren, wird aber eng.

Bei der Auswahl einer KSQ musst Du also darauf achten, dass die Vorwärtsspannung Deiner LEDs innerhalb des Ausgangsspannungsbereichs der KSQ liegt. Die für die LEDs nötige Spannung stellt sich dann automatisch ein.

Das kleine schwarze Rechteck auf dem Foto zwischen den Parallelschaltungen ist ein SMD-Null-Ohm-Widerstand, also im Prinzip eine Drahtbrücke. Diese Teile verwende ich gerne, um die erforderlichen Verbindungen zu erstellen. Ein Null-Ohm-Widerstand lässt sich einfacher und sauberer einlöten als ein Stück runder Draht.
Flexsus
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Di, 30.09.14, 13:45

In dem Datenbatt des beispielhaft angeführten Meanwellnetzteils ist in dem Blockdiagram ein EMI Filter zu sehen.
Kann ich mir wegen diesem Filter also die Suppressordiode sparen ?.

Wenn Cree diese Diode vorsieht, gehen die also auf Nummer Sicher, wenn aber alles Passt ist sie überlüssig.
Ist das so richtig.
ustoni
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Di, 30.09.14, 14:37

Nein, das eine hat mit dem anderen nichts zu tun.

Tipp: schau Dir noch mal den Beitrag von Loong an und lies Dir die verlinkten Texte durch.

Die Suppressor Diode (Protection Device, keine Zenerdiode) dient ausschließlich dem Schutz vor elektrostatischen Entladungen und dies in erster Linie zum Schutz der LEDs bevor diese eingebaut sind. Im eingebauten Zustand entsteht in Verbindung mit der KSQ ein geschlossener Stromkreis. In diesem Zustand kann sich keine elektrostatische Spannung mehr aufbauen, das Protection Device hat dann keine Funktion mehr. Ein entsprechendes Protection Device befindet sich auch in den von Dir verlinkten LEDs.

Trotzdem ist es immer eine gute Idee, sich kurz vor Verarbeiten der LEDs einmal kurz zu erden, um elektrostatische Spannungen des Körpers abzubauen oder -professioneller- diese von vornherein an einem antistatischen Arbeitsplatz zu bearbeiten. Auch so ein Protection Device hat seine Grenzen.

In diesem Zusammenhang noch ein Hinweis:
KSQs dürfen niemals sekundärseitig geschaltet werden. Sekundäres Schalten führt mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Beschädigung oder Zerstörung der LEDs. Eine Ausnahme von dieser Regel bilden nur die Steckernetzteil-KSQs von EagleRise.

Der EMI-Filter (EMI = Electromagnetic Interference)in der verlinkten KSQ hat eine völlig andere Funktion.
Schaltnetzteile -egal ob Konstantspannung oder Konstantstrom- haben primärseitig einen Brückengleichrichter mit nachgeschalteten Glättungskondensator und Zerhacker (ca. 20-120 kHz). Alles zusammen bildet eine nichtlineare Last für das 230 V-Netz. Ergebnis sind Störimpulse und Oberwellen, die ohne weitere Maßnahmen in das 230 V-Netz eingespeist würden. Der EMI-Filter sorgt dafür, dass solche Störungen weitestgehend ausgefiltert werden und damit vom 230 V-Netz ferngehalten werden.

Mal eine Frage zwischendurch:
Hast Du ein konkretes Projekt geplant oder geht es Dir um grundsätzliche Verständnisfragen? Immerhin senden die von Dir verlinkten LEDs blaues Licht aus und sind von Hand nicht mehr zu verarbeiten.
Flexsus
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Di, 30.09.14, 14:47

Entschuldige bitte ich bin nicht der Verfasser dieses Threads, aber deine sehr gute Antwort hat mir sehr geholfen.
Entlich hab ich verstanden warum die Suppressordioden da wirklich reingehören.
Danke für die ausführliche Aufklärung :D
ustoni
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Di, 30.09.14, 14:53

Kein Grund, sich zu entschuldigen. :P

Mein Fehler, den Userwechsel hab ich völlig übersehen. :?

Schön, wenn ich Dir helfen konnte. Ich hoffe, das Gleiche gilt auch für Beppo. :wink:
bebbo1
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Mi, 01.10.14, 09:47

ja, konntest mir wirklich super weiterhelfen. Vielen Dank!
Hat eine billige Konstantstromquelle Nachteile? Oder kann man da prinzipiell nicht viel falsch machen? Ich habe an diese gedacht:
http://www.pollin.de/shop/dt/OTQ3ODQ2OT ... 50_mA.html
Die von Meanwell liefert mir leider zu viele mA.
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