KSQ für ca. 10-20 COB-LEDs?

[Uli Zappe]

Hallo an alle,

ich stehe vor einem Problem, das in der Theorie keines ist, aber offenbar in der Praxis.

Ich würde gerne eine Beleuchtung mit 10-20 COB-LEDs wie z.B. diesen ausprobieren, um eine Lichtleistung von ca. 5000-10.000 lm bei hohem CRI zu haben.

Die theoretisch beste und effektivste Methode der Ansteuerung ist offenkundig eine Reihenschaltung mit KSQ. (Das Problem, dass bei Ausfall einer LED dann keine mehr leuchtet, nehme ich für eine höhere Effektivität gerne in Kauf.)

Der als Beispiel genannte Typ hätte bei einem Strom von 0,7A eine Vorwärtsspannung von 11V, also müssten 19 oder 20 davon an 230V = mit einer KSQ 0,7A zu betreiben sein.

Ganz einfach. Nur: Zu meiner Verblüffung scheint es auf der ganzen großen weiten Welt auch nicht annährend so eine KSQ zu geben. Jedenfalls habe ich keine gefunden; die hören alle bei spätestens 50V auf.

Wo ist denn da der tiefere Sinn und was ist das übliche Vorgehen in so einem Fall? Es kann ja nun nicht so gedacht sein, für alle 2-3 COB-LEDs eine eigene KSQ zu betreiben …

Danke für Eure Antworten!

Uli

[strenter]

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[strenter]

Das Problem ist die Spannungsfestigkeit der Module. Sowas in der Art wurde schon einmal gebaut von jemandem im roten Forum, allerdings hat er keine KSQ genommen sondern die 230V gleichgerichtet, geglättet und ausreichend COBs genommen dass die ca. 315V resultierende Gleichspannung kleiner als die Betriebsspannung der in Reihe geschalteten COBs sind.

Dies ist definitiv nicht zur Nachahmung empfohlen!

Sein Problem war, dass er alle Kühlkörper miteinander elektrisch leitend verbunden hatte und immer wieder mal hier und da ein paar LEDs in dem einen oder anderen Modul hops gingen. Grund war das übermäßig hohe Spannungspotential der LEDs gegenüber dem Kühlkörper. Die Isolation der COBs hat es einfach durchschlagen. Gelöst hat er das Problem, indem er die Stränge aufgeteilt und voneinender elektrisch isoliert angebracht hat.

Dies ist immer noch eine DICKE Warnung vor hoher Spannung und der Selbstbau ist nicht trivial!

Das Problem ist also die Höhe der Spannung. Unter 50V bleibt man im Kleinspannungsbereich, in dem nur wenige bis gar keine Schutzmaßnahmen getroffen werden müssen. Auch ist es ein Problem der elektrischen Isolation der LEDs gegenüber dem Kühlkörper.

[Uli Zappe]

allerdings hat er keine KSQ genommen sondern die 230V gleichgerichtet, geglättet und ausreichend COBs genommen dass die ca. 315V resultierende Gleichspannung kleiner als die Betriebsspannung der in Reihe geschalteten COBs sind.

Nichtmal eine Strombegrenzung via Vorwiderstand? Das schreit ja geradezu nach Problemen …

Klar könnte ich 230V= via Trafo gewinnen (das ist reiner Zufall, dass in meinem Beispiel die erforderliche Gleichspannung der Wechselspannung im Betrag gleicht) und einen Vorwiderstand zur Strombegrenzung nehmen. Aber mein ganzer Punkt ist ja gerade, dass ich (zur Schonung der LEDs vor Spannungsspitzen und zur Sicherstellung einer gleichbleibenden Lichtqualität) eine KSQ verwenden will. Nur eben eine und nicht zehn …

Das Problem ist also die Höhe der Spannung. Unter 50V bleibt man im Kleinspannungsbereich, in dem nur wenige bis gar keine Schutzmaßnahmen getroffen werden müssen.

Das ist mir schon klar, aber das kann doch kein Grund sein, dass solche KSQs überhaupt nicht hergestellt werden? Ich meine, ich kann ja auch Hochspannungstrafos kaufen …

Ist das übliche Vorgehen in einem solchen Fall tatsächlich, x KSQs parallel zu betreiben, mit all dem finanziellen und räumlichen Aufwand und der Energieverschleuderung?

[strenter]

Wieso Energieverschleuderung?

Wenn Netzteile oder Netz-KSQs einer Serie mit 90% Wirkungsgrad arbeiten hat man theoretisch die gleichen Verluste, egal ob man 10 * 20W oder 1 * 200W einsetzt. Das Einzige ist, dass Du an Bauraum sparst. Du brauchst aber auch spannungsfeste LEDs bzw. COBs und mußt wesentlich mehr Schutzmaßnahmen bezüglich Berührungsschutz treffen als mit Kleinspannung. Ob sich das rechnet sei mal dahingestellt.

[Achim H]

Ich würde ein 36V Schaltnetzteil empfehlen.

Spannungsabfall:
36V - 3 x 11V = 3V

Da nur 3V vernichtet werden müssen, reicht eine lineare Konstantstromquelle mit dem LM317 (1,5A-Version im TO-220 Gehäuse, verträgt max. 40V) + Widerstand.

Konstantstrom durch die COB-Module:
Uref / R = I
1,25V / 1,8R = 0,6944A = 694,4mA


10 Stück LM317T (1,5A-Version) gibt es bei ebay ab 4,18 EUR (2,38 EUR + 1,80 EUR Porto)
Ein paar össelige Metallschichtwiderstände (wegen der engeren Toleranz) kosten ein paar Cent.
Für 15 COB-Module (5 Reihen a 3 COB) reicht ein SNT mit 4,2A. Kostenpunkt um 35 EUR.

[Uli Zappe]

Wieso Energieverschleuderung? Wenn Netzteile oder Netz-KSQs einer Serie mit 90% Wirkungsgrad arbeiten hat man theoretisch die gleichen Verluste, egal ob man 10 * 20W oder 1 * 200W einsetzt.

Theoretisch vielleicht. Meine möglicherweise voreiligen Gedanken haben sich an einfachen Widerständen orientiert, und da muss ich bei Reihenschaltung keinen 10 mal so hohen Widerstandswert nehmen, um dieselbe Stabilität zu erreichen wie bei einem Widerstand in einem von 10 parallelen Strängen. Im Gegenteil, ich kann die Anzahl der LEDs auf die zur Verfügung stehende Spannung in viel feineren Stufen, also viel genauer abstimmen.

Bei real existierenden KSQs gehe ich davon aus, dass ein Teil der Verluste unabhängig von der konkreten Last entsteht, so dass 10 kleine KSQs mit den theoretisch selben Daten weit mehr Verluste produzieren als eine große. Aber vielleicht ist das falsch.

Das Einzige ist, dass Du an Bauraum sparst.

Und an Komplexität/Störungsanfälligkeit …

Du brauchst aber auch spannungsfeste LEDs bzw. COBs

Beziehst Du dich auf die Isolation gegenüber dem Träger? Denn ansonsten kriegt jede einzelne COB-LED doch genau ihre Nennspannung ab, wie immer …

[Uli Zappe]

Ich würde ein 36V Schaltnetzteil empfehlen.

Hmm, ja, wenn ich genau diese COBs nehme und mit 360mA/11V betreibe, ginge das gerade. WIll ich die Helligkeit ausreizen wären es 465mA/12V, und schon ginge es nicht mehr … Ähnlich mit anderen zur Auswahl stehenden COBs, die z.B. 18V haben.

10 Stück LM317T (1,5A-Version) gibt es bei ebay ab 4,18 EUR (2,38 EUR + 1,80 EUR Porto)
Ein paar össelige Metallschichtwiderstände (wegen der engeren Toleranz) kosten ein paar Cent.
Für 15 COB-Module (5 Reihen a 3 COB) reicht ein SNT mit 4,2A. Kostenpunkt um 35 EUR.

Die Kosten sind überhaupt nicht mein Problem, die Komplexität des Aufbaus ist es. Bei stromgesteuerten Bauelementen ist die Reihenschaltung einfach die naheliegendste Schaltungsvariante. Ich verstehe jeden, der nicht mit hohen Spannungen hantieren will und das daher bleiben lässt, aber ich verstehe nicht, dass es für hohe Spannungen offenbar überhaupt keine Lösungen am Markt gibt.

[strenter]

Es gibt keine existierenden Lösungen weil es halt nur recht selten durchschlagfeste LEDs für höhere Spannungen gibt. Und täusche Dich nicht... Natürlich bekommt jede LED nur einen geringen Teil der Spannung zu sehen. Aber wenn der Kühlkörper auf Masse hängt, dann ist das Spannungspotential der ersten LED gegen diesen KK halt 230V, wenn die KSQ diesen Wert liefert. DAS ist das Problem. Und wen Du denkst nicht erden würde das Problem beheben... Wenn alle LEDs auf dem selben KK sitzen dann nimmt der KK ein gewisses Spannungspotential an. Irgendeine der LEDs...

Die Lösung wäre halt jeder LED einen eigenen ungeerdeten KK zu verpassen - VDE-gerecht ist das auf keinen Fall. Und sollte irgendetwas passieren geht es an den Erbauer.

[Uli Zappe]

Es gibt keine existierenden Lösungen weil es halt nur recht selten durchschlagfeste LEDs für höhere Spannungen gibt.

Hmmm, ja, offenbar ist das der Hauptgrund. Wobei ich jetzt nicht gedacht hätte, dass KSQs nur speziell für LEDs gefertigt werden.

Die Lösung wäre halt jeder LED einen eigenen ungeerdeten KK zu verpassen

Ja, logisch, auf eine andere Idee wäre ich gar nicht gekommen. Ich hätte an sowas wie eine 1x1m2 große Kunststoffplatte gedacht, über die ich 4x4 oder 5x5 Kühlkörper mit je einer COB-LED drauf flächig verteile. Auf der Leuchtseite Plexiglas, an den Seiten Plexiglas mit Lüftungsbohrungen (natürlich ohne direkten Weg zu den Kühlkörpern).

VDE-gerecht ist das auf keinen Fall.

Wieso? Wenn die gesamte Lampe in einem schutzisolierten Gehäuse steckt?

[Falo]

aber ich verstehe nicht, dass es für hohe Spannungen offenbar überhaupt keine Lösungen am Markt gibt.

Auch ein großes Problem ist das die meisten 'normalen' Regel -IC / Transitoren /FET's gar nicht eine so hohe Spannung abkönnen und so muß man statt den einfachen Standard-KSQ-IC halt selber eine Schaltung mit den passenen min. 400V tauglichen Bauteilen bauen.

Zudem fehlen die Stückzahlen weil die wenigsten hier möchten gerne 10K lumen auf einen Fleck haben (Aquarium und Stadion-Besitzer mal ausgenommen )

mfg
Falo

[Falo]

Ja, logisch, auf eine andere Idee wäre ich gar nicht gekommen. Ich hätte an sowas wie eine 1x1m2 große Kunststoffplatte gedacht, über die ich 4x4 oder 5x5 Kühlkörper mit je einer COB-LED drauf flächig verteile. Auf der Leuchtseite Plexiglas, an den Seiten Plexiglas mit Lüftungsbohrungen (natürlich ohne direkten Weg zu den Kühlkörpern).

Wieso? Wenn die gesamte Lampe in einem schutzisolierten Gehäuse steckt?

Das wird aber intressant wie du die ca. 16*7 bzw. 25*7 = 175 Watt aus den gehäuse bekommen willst wenn das zum einen geschlossen sein soll und dann noch die Kühlkörper faktisch thermisch isoliert auf den Plastik sitzen.

mfg
Falo

[Uli Zappe]

Auch ein großes Problem ist das die meisten 'normalen' Regel -IC / Transitoren /FET's gar nicht eine so hohe Spannung abkönnen und so muß man statt den einfachen Standard-KSQ-IC halt selber eine Schaltung mit den passenen min. 400V tauglichen Bauteilen bauen.

Ehrlich gesagt ist mir das nicht wirklich klar. Wieso muss eine KSQ überhaupt auf den Gegenpol zugreifen, der vielleicht viele 100 V entfernt ist, wenn der Regelbereich nur, sagen wir mal, 0-50 V beträgt? Kann sich die KSQ nicht einfach wie ein "variabler Widerstand" in die Leitung hängen? Klar, das Ding wäre dann nicht kurzschlussfest, das finde ich aber auch nicht zwingend. Aber das ist jetzt nur eine theoretische Überlegung, vielleicht übersehe ich da was …

Das wird aber intressant wie du die ca. 16*7 bzw. 25*7 = 175 Watt aus den gehäuse bekommen willst wenn das zum einen geschlossen sein soll und dann noch die Kühlkörper faktisch thermisch isoliert auf den Plastik sitzen.

Konvektion? (Hat ja wie gesagt Lüftungslöcher, und soo viel sind 175W auf so eine Fläche verteilt nun auch nicht.)

[Falo]

Konvektion? (Hat ja wie gesagt Lüftungslöcher, und soo viel sind 175W auf so eine Fläche verteilt nun auch nicht.)

Für normale Lampen wo die Lichtquelle der Glühfaden einige tausend Grad heiß wird und der Galskolben auch noch ein paar hunder Grad warm werden kann sind die 175 Watt kein Problem.

Bei LED's ist es aber so das die Lichtquelle also der LED Chip innen bei spätestens 170 Grad sofort zerstört wird und bei Temperaturen >90 Grad die Lebensdauer ins bodenlose sinkt sind 175 Watt wirklich sehr viel ohne massive Kühlkörper oder halt aktiver Kühlung.

mfg
Falo

[Uli Zappe]

Bei LED's ist es aber so das die Lichtquelle also der LED Chip innen bei spätestens 170 Grad sofort zerstört wird und bei Temperaturen >90 Grad die Lebensdauer ins bodenlose sinkt sind 175 Watt wirklich sehr viel ohne massive Kühlkörper oder halt aktiver Kühlung.

Guter Punkt, danke, ich werde darauf achten! Ich kenne leider den Wärmewiderstand der der COB-LED (noch) nicht, aber beim Kühlkörper sollte < 1K/W kein Problem sein. Im Moment sehe ich bei ca. 10W pro COB-LED nicht, wie da auch nur annähernd 90° entstehen sollten …

[strenter]

Nicht am Kühlkörper vielleicht, aber direkt am LED-Chip. Direkt am Chip wird nämlich die Wärme frei und zwischen dem Chip und dem KK sind noch ein paar thermische Übergänge, die das Ganze natürlich negativ beeinflussen. Ergo: Je mehr Kühlfläche und umso präziser gearbeitet wird, desto länger wirst Du an den LEDs Freude haben.
Hier bekommst Du ein paar sehr interessante Informationen darüber.

[Uli Zappe]

So, ich habe jetzt einmal herumrecherchiert und statt Ostereiern KSQs gesucht.

Es gibt sie natürlich doch, die LED-KSQs mit kleinem Strom und hoher Spannung, alles andere wäre aus physikalischer Sicht ja auch zu dämlich. Nur merkwürdigerweise sind solche KSQs praktisch nur in den USA erhältlich (gefertigt natürlich in China), aber nicht in Deutschland, warum auch immer …

Im folgenden nehme ich als Beispiel immer eine KSQ mit 200W und 0,7A (das entspricht dann einer Ausgangsspannung von maximal 285V=); man kann natürlich auch andere Parameter wählen. 200W und 0,7A sind gut geeignet, um 12 Citizen COBs mit 13W und 0,72A(@~18V) in Reihe zu betreiben, die es mittlerweile mit einem CRI min > 90 bei 5000K und 890lm gibt (nur merkwürdigerweise noch nicht hier …). Damit bekommt man also etwa 10.000lm. Für ein ganz kleines Zimmer zumindest müsste das wenigstens annähernd Tageslicht entsprechen (was das Ziel ist, das ich mir gesteckt habe).

Eine US-Firma, die sowas anbietet, wäre zum Beispiel Autec Power Systems. Der Vorteil von deren Produkten ist, dass man sie auch als Endanwender aus Deutschland in den USA bestellen kann, und zwar bei Arrow Electronics. Solche KSQs liegen in der Größenordnung von 100€.

Noch einen Tick bessere Daten bieten allerdings die äußerlich zum Verwechseln ähnlichen Geräte von Inventronics, einem chinesischen Hersteller, dessen Produkte in den USA unter dem Label Power Partners vertrieben werden. Hier kommt das 0,7A-Modell auf sagenhafte 93% Wirkungsgrad bei 230V Eingangsspannung. Bei solch einer optimalen Ankopplung der COB-LEDs kann man dann den geringeren Wirkungsgrad der LEDs aufgrund des guten CRI getrost verschmerzen. Ich habe mir jetzt einmal so ein Modell bestellt und werde davon vielleicht berichten können; für Privatleute sind diese Geräte aber leider (im Gegensatz zu denen von Autec) zur Zeit mangels Distributor nicht zu bekommen, schon gar nicht in Deutschland.

Wie wär's, Lumitronix?

Ich hoffe, diese Info hilft vielleicht Leuten, die vor einem ähnlichen Problem stehen, wie ich stand.

[Uli Zappe]

Nicht am Kühlkörper vielleicht, aber direkt am LED-Chip. Direkt am Chip wird nämlich die Wärme frei und zwischen dem Chip und dem KK sind noch ein paar thermische Übergänge, die das Ganze natürlich negativ beeinflussen.

Logo. Der Wärmewiderstand der 13W-Citizen-COB-LED, die ich in meinem vorigen Beitrag erwähnt habe, beträgt 2,4°C/W. Ein angemessener Kühlkörper bringt es auf schlechtestenfalls 1,5°C/W, also zusammen etwa 4°C/W. Bei 13W liegt die Chiptemperatur also 13W x 4°C/W = 52°C über der Umgebungstemperatur.

Bei 0,7A ist die Citizen-COB-LED für 110°C am Chip zugelassen. Die Umgebungstemperatur müsste also 110°C - 52°C = 58°C übersteigen, bevor es Probleme gäbe. Ich garantiere Dir: auch in einer heißen Sommernacht und auch direkt unter der Decke setzt eine deutliche Konvektion ein, bevor die Umgebungstemperatur 58°C erreicht …

[strenter]

So, ich habe jetzt einmal herumrecherchiert und statt Ostereiern KSQs gesucht.
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Wie wär's, Lumitronix?
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Ich finde da würde am falschen Ende gespart. Vor allem bei Heimanwendern und Hobbybastlern! Kleinspannung (<50V) ist recht sicher und man kann kaum was falsch machen. Auch Erdung ist unkritisch, genauso wie die Teileauswahl. Und man kommt trotz allem auf recht passabele Wirkungsgrade. (Und darum gehts Dir doch vorwiegend, oder?)
Bei Niederspannungsversorgung (>50V) sieht die Sache schon anders aus, denn erstens braucht man da spezielle LEDs die halt eine hohe Schutzisolation aufweisen. Dann ist auf jeden Fall für einen Berührungsschutz aller potentiell unter Spannung stehender Teile zu sorgen. Auch ist es fraglich ob diese KSQs denn VDE-Prüfzeichen haben und somit hier eingesetzt werden dürfen. Auch würde beim potentiellen Ausfall einer LED die ganze Reihe verlöschen. Da die KSQ immer noch den Strom weiter liefern will wäre die Spannung gerade dann am höchsten!

Man kann bei der Bauteilauswahl und der Dimensionierung viel falsch machen. Wenn Du ständig auf dem höchst möglichen Wirkungsgrad Deine Beleuchtung betreiben willst, mußt Du regelmäßig gewisse Parameter kontrollieren. Auch brauchst Du für die LEDs eine exzellente Kühlung, sonst verschlechtert sich schnell Dein Wirkungsgrad wegen erhöhter Alterung der Leuchtschicht. Trotz allem wird nach spätestens zwei bis drei Jahren ein neuer Satz LEDs notwendig werden, weil die alten dann 'nur' noch 95% der Helligkeit vom Anfang haben und der Wirkungsgrad elementar verschlechtert ist.

Konklusion: Man kann es treiben oder übertreiben.

Ach ja: Arrow (früher Spörle in D) liefert übrigens nur an gewerbliche Kunden und nicht an den Endanwender.

[Uli Zappe]

Ich finde da würde am falschen Ende gespart. Vor allem bei Heimanwendern und Hobbybastlern! Kleinspannung (<50V) ist recht sicher und man kann kaum was falsch machen. Auch Erdung ist unkritisch, genauso wie die Teileauswahl. Und man kommt trotz allem auf recht passabele Wirkungsgrade. (Und darum gehts Dir doch vorwiegend, oder?)

Auch, aber ebenso um einen einfachen und eleganten Aufbau. Ohne KSQ (nur mit Widerstand) würde ich COB-LEDs definitiv nicht betreiben wollen, aber 12 KSQs parallel geschaltet fände ich ein ziemliches Chaos. Betrachtest Du das wirklich als ernstzunehmende Alternative?

Die physikalisch angemessene Schaltung für konstanten Strom ist nun mal die Reihenschaltung.

Auch ist es fraglich ob diese KSQs denn VDE-Prüfzeichen haben und somit hier eingesetzt werden dürfen.

CE EN 61347-1 und EN 61347-2-13. Ich würde hier sicher keine Geräte posten, die nicht zugelassen sind …

Auch würde beim potentiellen Ausfall einer LED die ganze Reihe verlöschen.

Das ist ein Nachteil, ja. Da COB-LEDs ihrerseits aber aus parallelen Strängen bestehen, halte ich das Risiko eines Totalausfalls einer COB-LED für eher gering. Das ist aber bislang nur eine Vermutung.

Wenn Du ständig auf dem höchst möglichen Wirkungsgrad Deine Beleuchtung betreiben willst, mußt Du regelmäßig gewisse Parameter kontrollieren. Auch brauchst Du für die LEDs eine exzellente Kühlung, sonst verschlechtert sich schnell Dein Wirkungsgrad wegen erhöhter Alterung der Leuchtschicht. Trotz allem wird nach spätestens zwei bis drei Jahren ein neuer Satz LEDs notwendig werden, weil die alten dann 'nur' noch 95% der Helligkeit vom Anfang haben und der Wirkungsgrad elementar verschlechtert ist.

Konklusion: Man kann es treiben oder übertreiben.

Um all das geht es mir aber nicht. Gerade wenn ich zu Beginn eine vernünftige Konstruktion habe, kann ich der unvermeidlichen Alterung gelassen ins Auge sehen, da genug Reserven eingebaut sind.

Ach ja: Arrow (früher Spörle in D) liefert übrigens nur an gewerbliche Kunden und nicht an den Endanwender.

Ich finde nirgendwo eine solche Einschränkung, aber selbst wenn, stört das meiner Erfahrung nach niemanden.