Grundlagen zu weißen LEDs und deren Ansteuerung

Vielleicht an dieser Stelle einmal ein Hinweis, wie die Lichtfarbe von weißen Leuchtdioden entsteht und warum sie sich mit dem Betriebsstrom ändert und nicht konstant ist.

1. Entstehung des weißen Lichts

In weißen Leuchtdioden wandelt ein blauer LED-Chip die elektrische in Lichtenergie um. Eine darüber liegende Leuchtschicht aus einem fluoreszierenden Material wandelt einen Teil des blauen Lichts in eine gelbliche Lichtstrahlung um. Abgestrahlt wird dann eine Mischung aus dem durchstrahlenden blauen Licht und dem umgewandelten gelben Licht, die zusammen als mehr oder minder weißes Licht empfunden wird.

Wenn man sich die Diagramme auf http://www.messerforum.net/showthread.php?t=50378 anschaut, ist leicht zu erkennen, dass es bei der Lichtfarbe selbst bei der elektrischen Nennleistung eine erhebliche Streuung geben kann, die durch die Feldgröße der Bereiche gezeigt wird.

2.Abhängigkeit vom Betriebsstrom

Je geringer der Betriebsstrom, um so mehr überwiegt der Einfluss der Fluoreszenzschicht, weil weniger blaues Licht durch sie hindurchdringt, sondern umgewandelt wird. Es ist also eine Drift in den gelblichen Bereich zu erwarten. Umgekehrt wird mit steigendem Strom mehr blaues Licht produziert, als die Leuchtschicht umwandeln wird, der Farbton wird insgesamt bläulicher.

3. Unzulässigkeit einer Ansteuerung mit Stromimpulsen

Moderne Hochleistungs-LEDs sind durch ihren empfindlicheren Aufbau im Gegensatz zu "alten" roten, gelben oder grünen LEDs nicht dazu geeignet, die hohe Leistung eines gepulsten Betriebs zu verkraften. Der bei den alten LEDs mögliche, stromsparende Ersatz eines Vorwiderstandes durch Betrieb mit kurzen, hohen Stromimpulsen und entsprechend langen Pausen zur Einstellung des gewünschten mittleren Stroms ist nur bedingt möglich, weil der Maximalstrom egal ob Dauer-, Mittelwert- oder Impulsstrom einen bestimmten Wert zu keiner Zeit überschreiten darf. Deshalb muss zwingend auch z.B. bei Pulsweitenmodulation oder Schaltreglern eine nachfolgende Glättung der Impulse durch Kondensator oder Drossel erfolgen. Fehlt die Glättung, wird die LED in Impulsspitzen überfahren. Das äußert sich in geringerer Helligkeit als erwartet durch geringeren Wirkungsgrad in den Stromspitzen und bläulichere Lichtfarbe durch Sättigung der Leuchtschicht.

4. Lichtfarbe und Technologie

Im Gegensatz zu Leuchtstofflampen, bei denen durch Gasentladung entstehendes unsichtbares UV-Licht durch die aus mehreren Fluoreszenzstoffen bestehende Leuchtschicht komplett in das sichtbare Spektrum umgewandelt wird, kann bei LEDs nicht auf UV-Chips umgestiegen werden, weil deren Wirkungsgrad (noch) zu gering ist und die harte Strahlung eine zu rasche Alterung verursachen würde. An der Mischung aus durchstrahlendem blauen und mit dem daraus erzeugten gelblichem Licht lässt sich also derzeit wenig ändern. Versuche, durch eine Mischung mehrerer Fluoreszenzstoffe das abgestrahlte Licht harmonischer zu machen wie bei Leuchtstofflampen sind somit nur begrenzt möglich und senken zugleich den Wirkungsgrad drastisch.

5. Lichtfarbe und Alterung

Die Lebensdauer wird meistens angegeben als der Zeitpunkt, an dem noch 50% der Nennlichtleistung abgestrahlt werden. Da der blaue LED-Chip und die Fluoreszenzschicht verschieden schnell altern, ergeben sich über die Laufzeit bereits Verschiebungen des abgestrahlten Spektrums.


Jetzt wird es vielleicht erahnbar, warum die besten LEDs so teuer und rar sind. Warum billige Elektronik die beste LED zum "Schattendasein" verdammt. Und dass der Umgang mit LEDs eine Wissenschaft für sich ist, die manche hier auch als solche betreiben.

AW: Teststation für Emitter

Hallo!

Cnad said:

3. Unzulässigkeit einer Ansteuerung mit Stromimpulsen

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Insgesamt sehr interessant, verständlich und - denke ich - leicht nachvollziehbar geschrieben. Klingt prinzipiell auch logisch. Letztlich beförderst Du damit mit einem kurzen Absatz im Grunde alle PWM-geregelten LED-Taschenlampen in das gleiche, technisch unperfekte Abseits, in welches auch DD-Ansteuerung oder "Regelung" mit einem einfachen Vorwiderstand gehören, denn nach Deinen Ausführungen hat auch PWM-Regelung einen schlechten Wirkungsgrad, schlimmer noch, im Grunde schädigt sie die LED.

Aber:
Hast Du auch Belege, Quellenangaben oder weitere Texte, die Deine Ausführungen bestätigen?
edit: Kritik in unangemessener Form entfernt. Hiltihome

Ausserdem würde mich interessieren, ob das für jede Art der PWM gilt, oder ob Deine Ausführungen frequenzabhängig sind. Bei meinen Liteflux, welche, wenn ich mich recht entsinne, mit 7,8kHz PWM-geregelt werden, ist z.B. keine Farbveränderung sichtbar.
Des weiteren befürchte ich, daß für den von Dir angesprochenen Kondensator schlicht kein Platz sein wird in den üblichen Lampen...

AW: Teststation für Emitter

Den von "naturelle" angesprochenen Punkt kann ich genauso äußern, und eben als Pro-PWM-Argument verwenden - kann man doch gerade durch PWM dafür sorgen, dass sich unabhängig von der eingestellten Helligkeit - bedingt durch den immer gleichen Strom während der Leuchtphasen (vorausgesetzt, der erlaubte Maximalstrom wird auch als Impuls-Momentanstrom nicht überschritten) - gerade KEIN Tint-Shift einstellt, der sich bei einer linearen ("DC") Stromregelung zwangsläufig ergeben würde (die Gründe hierfür wurden ja vorbildlich erklärt).

Natürlich sollte man auch bedenken, dass ein Fluoreszenzfarbstoff prinzipbedingt nicht so "flink" ist, wie es ein Dioden-Emitter selbst sein kann, d.h. er wird immer etwas nachleuchten, so dass bei PWM-geregelten Lampen nicht nur das dort normale Emitterflimmern zu sehen ist, sondern von manchen Leuten auch ein leichtes, manchmal irritierendes Farbflimmern wahrgenommen wird. Wer mal eine schnell bewegte weisse PWM-gesteuerte LED mit langer Belichtungszeit fotografiert hat (und zufällig die richtige 'grosse' Blende dabei erwischte - passiert ab und an bei einem Reflex einer Lampe im Bild), wird dies auf den Bildern übrigens bei genauer Betrachtung möglicherweise erkennen können - man kann diese Aufnahmesituation aber auch mal gezielt als Experiment stellen, wenn man mir nicht glaubt.

-ZiLi-

AW: Teststation für Emitter

Cnad said:

...Eine gepulste Anwendung ergibt sich oft gewollt durch PWM = Pulsweitenmodulation bei LED-Leuchten mit einstellbarer Helligkeit...

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Hallo,

Hier war vom Autor sicher ungewollt gemeint, dann machen die weiteren Ausführungen Sinn.
Die Kritik an der Gleichstellung von gepulstem Betrieb und PWM ist dann hinfällig, zumindest was die Effekte des Tint-Shifts anbelangt.

PWM ist leider sehr oft mit viel zu niedriger Frequenz realisiert worden und deshalb in Verruf geraden, weil die Lampen flimmerten. Link Link


Was die Ausführungen im Beitrag anbelangt, so wären einige Links und vor Allem ein Prinzipschaltbild eines Treibers mit Markierung der Kondensatoren hilfreich.
Ich selbst weis zwar was gemeint ist, aber für die nicht Elektroniker könnte das zum besseren Verständnis beitragen.

Ein einfachstes Beispiel ist die Schaltung mit dem Zetex300, dort ist der Kondensator C1 das Element, das gerne eingespart wird....



Heinz

AW: Teststation für Emitter

Information über den gepulsten Betrieb von LEDs - empfehlenswert nur für technisch Interessierte!


1. Verwendung eines "simplen" Vorwiderstands statt aufwändiger Elektronik, PWM etc.

Ein einfacher Vorwiderstand zum Betrieb einer LED-Lampe ist kein technisches Abseits, sondern kann sehr gut funktionieren! Wenn die Spannungsquelle selbst eine konstante Spannung knapp über der LED-Vorwärtsspannung abgibt, kann man damit Wirkungsgrade erzielen, von denen man mit einem Schaltregler nur träumen kann.

Beispiel: Akkus mit Spannungsplateau bei der Entladung. Die Hauptkapazität ist bei einer weitgehend konstanten Plateauspannung entnehmbar, nur wenige Prozent entfallen auf eine höhere, absinkende Anfangsspannung und die Abfallzeit mit rasch fallender Spannung bis zur völligen Entladung.

Für drei NiMH-Akkuzellen gilt (der Effekt tritt prinzipiell auch bei einer Li-Ion-Akkuzelle bei 3,7 V auf):

Plateauspannung 3x1,24 V=3,72 V. Durchlassspannung der LED 3,4 V ===> Vorwiderstand für 350 mA: 0,9 Ohm.
Maximalstrom für wenige Minuten anfangs der Entladung: 3x1,45 V=4,35 V ===> 1 A ===> Nicht schön, aber bei modernen LEDs ist das der zulässige Maximalstrom, der für wenige Minuten problemlos ist.
Einfluss der Erwärmung: Temperaturkoeffizient -3 mV/K. Erwärmung um (nicht auf!) 50°C ===> Vorwärtsspannung der LED sinkt auf 3,25 V.
Normalstrom im Spannungsplateau dann 0,52 A, in der Anfangsphase zu hohe 1,2 A.

Also wählen wir 1,2 Ohm als erhältlichen Norm-Widerstand. Plateaubetrieb bei Zimmertemperatur dann 267 mA, Anfangsphase 0,8 A ===> OK. Nach Erwärmung um 50°C: Plateaubetrieb 392 mA, Anfangsphase 0,9 A ===> OK

Elektrischer Wirkungsgrad: Anfangsphase 91%, Plateaubetrieb 87%!!! Ein Schaltregler bedarf sehr teurer Bauelemente und sehr sorgfältiger Konstruktion, um in diese Bereiche zu kommen!
Für den extrem geringen Aufwand ist das ein hervorragendes Ergebnis. Es bietet zugleich: Tiefentladeschutz für die Akkus und ausschleichende Helligkeit statt plötzliches Stehen im Dunkeln bei Entladeschluss.

Um Temperaturschwankungen und Anfangsspannung aufzufangen, bedient man sich linearer Low-Drop-Regler wie Hiltihome in seinem Testaufbau. Durch den geringen Spannungsabfall zwischen Betriebsspannung und LED bleibt der Wirkungsgrad ebenso hoch (der Eigenverbrauch des Reglers ist gering). Das bedeutet konstante Helligkeit, bis die Versorgungsspannung den Drop-Off-Punkt des Reglers unterschreitet.

2. Stromimpulse, Frequenz und Glättung

Moderne - hier: weiße - LEDs reagieren auf alle hohen Stromimpulse (vgl. Punkt 3.) empfindlich, unabhängig von deren Frequenz.
Die Frequenz ist nur entscheidend für die Wahl der Bauelemente zur Glättung der Impulse zu einem "Gleichstrom". Die Glättung kann durch eine Drossel in Serie mit dem Ausgang erfolgen (selten) oder einen parallel geschalteten Glättungskondensator in Verbindung mit internen Schaltungswiderständen.

Der Betrag des Blindwiderstands eines Kondensators lautet X(C)=1/(2xPixfxC). Das bedeutet, dass die Kapazität C des Kondensators bei zehnfach höherer Schaltfrequenz nur noch 1/10 zu betragen braucht. Der gleiche lineare Zusammenhang gilt auch für die Induktivität von Spulen. Deshalb arbeiten heutige Schaltregler kleiner Leistung im MHz-Bereich, in dem es nur sehr kleine Werte braucht und damit kleine, billigere Bauteile.

Rein rechnerisch ergäbe sich bei 7,8 kHz und einem anzustrebenden Blindwiderstand von 0,1 "Ohm" eine Kapazität von 200 µF! Dieser Kondensator wäre wirklich groß und er würde nur wenig bringen. Hier gilt es nämlich, insbesondere die steilen Impulsflanken abzuflachen, die entsprechend Fourierzerlegung aus Vielfachen der Grundfrequenz entstehen. Da sie hochfrequenter sind, darf der Kapazitätswert des Kondensators durchaus kleiner werden.

Es darf aber kein beliebiger Kondensator sein, weil ein Kondensator nie ideal ist, sondern mit einem mehr oder minder hohen zusätzlichen ohmschen Innenwiderstand behaftet ist, der gerade bei Elektrolytkondensatoren sehr hoch ist. Hier braucht es deshalb Low-ESR-Typen mit sehr niedrigem Innenwiderstand, notfalls die Parallelschaltung herkömmlicher Keramik- oder Tantalkondensatoren.

Bei 8 kHz wären vier Tantalelkos zu je 10 uF eine denkbare Lösung, die auch in Taschenlampen verwirklichbar ist. Das funktioniert aber überhaupt nur in Zusammenhang mit dem (real vorhandenen) Innenwiderstand von PWM-Schalter und dem der geschalteten eigentlichen Stromversorgung.

Dass Deine Lampe bei PWM keinen bläulichen Farbstich bekommt, weißt eben darauf hin, dass die PWM durch a) Eingriff am Schaltregler selbst wirkt (empfehlenswert) oder b) Bauteile zur Glättung am Ausgang der PWM ausreichend dimensioniert sind, so dass die LED Gleichstrom bekommt statt Impulse.

Ich selbst bin auf dieses Phänomen gestoßen, weil mich vergangenes Jahr jemand fragte, warum seine Taschenlampe in schwächeren Stufen bläulicher leuchtet. Eine Recherche führte mich zu einem amerikanischen Forum, in dem auch andere Nutzer dieses Phänomen beklagten. Es handelte sich, wenn ich mich recht entsinne, um eine fünfstufig einstellbare Lampe der chinesischen Marke MTE. Ich bin nicht gewillt, nach der/den Textstellen zu suchen.

3. Zulässige Höhe von Stromimpulsen an der LED

Ich habe nicht gesagt, dass PWM generell unzulässig ist, ich habe nur ausgeführt, dass keine Impulse zu hohen Stroms an die LED gelangen dürfen. Im ursprünglichen Beispiel war dies der zehnfache Impulsstrom während eines Zehntels der Betriebsdauer, was gemittelt dem Nennstrom der LED entspricht - bei alten LEDs durchaus denkbar, üblicher sind freilich z.B. dreifacher oder fünffacher Strom während eines Drittels/Fünftels der Zeit.

Gefragt nach Quellen verweise ich z.B. auf das Datenblatt der Luxeon Rebel DS56, dem zu entnehmen ist, dass bei weißen Ausführungen sowohl der maximal zulässige Dauerstrom als auch der maximale Impulsstrom als auch der maximale mittlere Strom jeweils identisch nur 1 A betragen darf. Unzulässig wäre hier also z.B. ein gemittelter Strom von 350 mA aus Impulsen von 1,75 A jede fünftel Zeiteinheit, während 1,05 A alle drittel Zeiteinheit gerade noch akzeptabel wären.

ZiLi irrt leider,
(edit: ZiLi irrt nicht, ich habe geirrt: Wenn es tatsächlich gelingt, den Strom der Impulse fest einzustellen, ändert sich mit dem Impuls-/Pausenverhältnis tatsächlich nur die abgegebene Lichtleistung (Helligkeit), aber nicht die Lichtfarbe - eine technisch sehr anspruchsvolle Aufgabe! Aber der nachfolgende Text zeigt, warum u.a. die Lichtqualität mit höherem Betriebsstrom selbst innerhalb der Spezifikation leiden kann - je nach Wahrnehmung. Man sollte auf die tatsächliche maximale Stromstärke und deren Auswirkung achten, sowohl bei gepulstem als auch bei ungepulsten Betrieb.)

wenn er meint, dass gerade die impulsweise Ansteuerung unter Voraussetzung begrenzter Stromstärke die Farbqualität im Gegensatz zu niedrigem Gleichstrom beibehalten könnte. Schaut man sich die Spektralverteilung des Lichts der weißen LED an (z.B. in obigem Datenblatt), erkennt man die sehr scharfe Spitze bei 450 nm (blaue LED) und den sehr breiten "Hügel" um 550 nm der Leuchtschicht.

Je mehr mit den hohen Stromimpulsen der Anteil blauen Lichts überwiegt, desto unausgewogener wird das Gesamtspektrum, desto verfälschter die Farbwiedergabe angeleuchteter Objekte. Und das setzt beim Maximalstrom von 1 A schon bemerkbar ein.
Finde zumindest ich - ist natürlich eine Frage der individuellen Wahrnehmung. Im Gegenzug ist das Spektrum bei niedrigen Strömen und höherem Beitrag der Leuchtschicht kontinuierlicher, die Wiedergabe angenehmer. Bei zu viel Blauanteil sprechen unsere amerikanischen Freunde übrigens gerne von einem "wütenden" Licht. Eine Empfindung, die ich teile.

Und selbst bei Einhaltung des Spitzenstroms von 1 A ist der Wirkungsgrad der LED nun einmal geringer als bei niedrigeren Strömen wie 350 mA.

Wie überhaupt kann man den Spitzenstrom der LED bei Stromimpulsen einhalten? Eine ideale PWM-Schaltung ist ja gerade durch ihre geringen Verluste charakterisiert. Sie schaltet den Strom voll durch und auch wieder voll ab. Direkt auf einem idealen Akku oder einem idealen Wandler folgend, würde also mangels Widerstand die "Direct Drive"-Situation auftreten und die LED zerstört werden. Beispiel: Zweizelliger Li-Ion-Akku 7,4 V wird direkt auf die 3,4-V-LED geschaltet. Es fallen 4 V ab - nur woran? Es gibt ja keinen Widerstand.

Also fließt ein maximaler Strom durch die LED. Da diese kein ideales Bauteil ist, hat sie allerdings auch einen internen ohmschen Widerstand von etwa 1 Ohm. Die durchgeschalteten 7,4 V ergäben somit 7,4 A Strom!

Bei nur einer Zelle mit 3,7 V oder einem entsprechenden vorgeschalteten Spannungs-/Stromregler (mit dem dann entsprechenden Verlust an Wirkungsgrad!) fallen 0,3 V ab, und weil übliche Akkus, Kontaktübergänge, Schalttransistoren, Leiterbahnen, Lötstellen und die LED selbst eben Widerstände bedeuten, mag der reale Strom dann gerade noch - zufällig! - im Maximalbereich sein. Was nichts an der Tendenz zu geringerem LED-Wirkungsgrad, Lebensdauer, Farbtreue ändert. Wir brauchen also zwischen der PWM-Schaltung und der LED unbedingt einen Schaltungsteil, der die harten, hohen Impulse zu einem möglichst konstanten Gleichstrom im erlaubten Bereich integriert - im einfachsten Fall den ausreichend dimensionierten Kondensator.

Schalten wir einen Spannungswandler, einen Schaltregler vor die PWM-Schaltung, dann läuft dieser in den Impulspausen des PWM im Leerlauf. Ohne sorgfältige Regelung baut sich an seinem Ausgangsglättungskondensator eine höhere Spannung auf, die dann - wummms! - vom PWM-Schalter direkt auf die LED durchgeschaltet wird. Das dürfte das Phänomen bei der oben erwähnten chinesischen Taschenlampe sein.

Verschiedene Schaltregler-ICs bieten einen direkten PWM-Eingang an. Je nach Ausführung erzeugen sie intern aus dem zugeführten PWM-Signal eine Gleichspannung, anhand der sie die erzeugte Ausgangsspannung bzw. den Ausgangsstrom einstellen - das ist die sauberste Lösung! Es braucht dann auch nur noch den einen Glättungskondensators des Schaltreglers selbst, der dank dessen höherer Frequenz auch klein sein kann - siehe oben!

Hiltihome hat ulkigerweise die Schaltung des Zetex-Schaltreglers ZXSC300 eingefügt. In dem zugehörigen Datenblatt (Quelle: www.zetex.com) bietet Zetex zwei Applikationen an:
Die von Hiltihome gezeigte Schaltung stellt die "Maximum brightness solution" mit Gleichrichterdiode und Glättungskondensator an der LED dar.

Zetex bietet dort auch die "Maximum battery life solution" an, bei der die LED direkt am Wandler ohne Diode und vor allem ohne Kondensator hängt. (Ohne Diode würde der Kondensator den Wandler stilllegen.)

Da auch an der Diode bei 350 mA LED-Strom rund 0,3 V Spannung abfallen, würde man also erwarten, dass der Wirkungsgrad durch Weglassen der Diode steigt. Statt 3,4 V (LED) + 0,3 V (Diode) = 3,7 V würde ja schließlich nur noch eine Spannung von 3,4 V benötigt. Das sind rund 8 % Gewinn!

Bei den damaligen Versuchsaufbauten zeigte sich aber das glatte Gegenteil! Statt 8% mehr Helligkeit gab es nach dem kosteneffizienten Weglassen von Glättungskondensator und Diode signifikant weniger Lichtausbeute (es waren 10...15% weniger, ich müsste in die Aufzeichnungen schauen). Der Grund dafür ist, dass die hohen Stromimpulse eben direkt zur LED gelangten. Zu hoher Stromimpuls - Pause ohne Strom - zu hoher Stromimpuls usw.

Die erzeugte Lichtmenge war geringer, die Lichtfarbe unangenehm bläulich-violett. Und das ist der Grund, warum eben in jeder vernünftigen Taschenlampe ein Glättungskondensator vor der LED sitzt. Und warum Zetex bei der vorgeschlagenen Sparlösung noch einen höheren Strom eingestellt hat - noch schlechter für die LED.

Zum Abschluss des fachlichen Teils noch eine Quelle zur Alterung der LED durch hohe Betriebsströme, also auch Stromimpulse. Es gibt hierzu kaum Literatur, normalerweise wird als Alterungsgrund überwiegend die Betriebstemperatur angegeben, die durch hohe Stromimpulse mit ausreichend langen Pausen nicht unmittelbar viel höher wird. Nur scheinbar allerdings, denn lokal im LED-Chip gibt es sehr wohl Überhitzungen.

Hier hilft das Dokument RD25 "Luxeon Reability" aus, das auf S. 9 die Abbildung 9 zeigt. Ihr ist zu entnehmen, dass bei einer niedrigen internen Gehäusetemperatur von nur 55° C der alterungsbedingte Abfall der Lichtausbeute sehr wohl vom Betriebsstrom abhängt. Bei 350 mA sinkt der Output nach ca. 2500 h um ca. 1%, interpoliert nach 10000 h um 6%.

Bei der gleich niedrigen Temperatur, aber 1000 mA Strom sinkt der Output schon nach 2500 h um 10% und interpoliert nach 10000 h um 29%!

Das muss einen alles nicht jucken, wenn man eh nur von vielleicht 1000 h Taschenlampennutzung ausgeht - und juckt daher manchen Hersteller auch nicht im mindesten! Es zeigt aber sehr wohl, dass selbst bei zulässigem Höchststrom der gepulste Betrieb von LEDs gegenüber dem Betrieb mit Gleichstrom nachteilig ist: Gleiche Lichtausbeute bei kürzerer Lebensdauer.

AW: Teststation für Emitter

Hallo Cnad,

als Maschinenbauer tue ich mich traditionell schwer mit Elektrotechnik und Elektronik.

Deinen bisherigen Ausführungen jedoch konnte ich einiges an echtem Erkenntnisgewinn abringen. Allzu oft habe ich den Beiträgen der Insider hier nicht folgen können, da sie zuviel voraussetzen.

Nun hast Du m. E. zwar einen flüssigen, lockeren Schreibstil, aber bist im Ton vielleicht ein wenig 'von oben herab', und das reizt möglicherweise zu Gegenfragen von einigen Forumiten...

Nimm es doch bitte etwas lockerer und - vor allen Dingen - nicht als persönliche Kritik, wenn Deine Aussagen diskutiert werden.

Ich würde mich jedenfalls freuen, wenn Du Dich nicht gleich in die Schmollecke zurückziehst, sondern Dich weiter konstruktiv hier einbringst.

Wißbegierige Neulinge wie ich danken es Dir!

MfG Norbert

AW: Teststation für Emitter

Vorsicht, Tom und Norbert,

ich bin auch nicht allwissend. So habe ich ZiLi einen Irrtum vorgeworfen, den ich begangen habe: Es ist theoretisch schon denkbar, PWM mit konstantem Strom durch die LED durchzuführen bei gleichbleibender Lichtfarbe: Ich bitte um Entschuldigung!

Das setzt aber voraus, dass der Stromregler zwischen PWM und LED sitzt. Und der hat dann wirklich viel zu tun, nämlich jeden Stromimpuls erneut einzuregeln. Das ist eine praktisch schwer zu realisierende Aufgabe.

Dann aber wäre es wirklich so: Immer gleiche Lichtfarbe von 1...100%. Das Problem mit der Spektralverschiebung wäre dann ja auch keines, weil man auch den Nennstrom per Stromregler als 100% setzen könnte.

Das Ding zu entwickeln wäre eine ordentliche Aufgabe.

Was meinen arroganten Schreibstil angeht - wenn man ein paar Jahre lang "Trivial ist...", "Klar ist..." und dergleichen hört, obwohl das nicht immer so sein muss, dann färbt das irgendwann wohl leider ab.
Ich hoffe allerdings auf die "Dafür haben wir jetzt keine Zeit" und "Diese Frage zu beantworten würde hier zu weit führen" zu verzichten - die haben mich selbst genug genervt.

AW: Teststation für Emitter

Cnad said:

... ich bin auch nicht allwissend. So habe ich ZiLi einen Irrtum vorgeworfen, den ich begangen habe: Es ist theoretisch schon denkbar, PWM mit konstantem Strom durch die LED durchzuführen bei gleichbleibender Lichtfarbe: Ich bitte um Entschuldigung! ...

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Auch ich bin nicht allwissend, weshalb ich die Entschuldigung annehme. Deshalb präzisiere ich mal meine Aussage, damit wir nicht aneinander vorbei schreiben.

Du gingst offensichtlich davon aus, dass ich meinte, "einfach volle Lotte" auf die LED zu gehen, und durch Pulsen der Versorgungsspannung eine Effektivleistung in weitem Rahmen unabhängig von der Höhe der Versorgungsspannung einzustellen.

Ich ging hingegen (wie Du ja mittlerweile mitbekommen hast) davon aus, dass (wie es in der Praxis oft zu bauen versucht wird - prinzipbedingt nicht 100% realisierbar, aber doch zumindest annähernd erreicht) eine Taschenlampe zur Realisierung verschiedener Helligkeitsstufen NICHT einen DC-Strom im jeweiligen Modus einstellt (14mA low, 210mA medium, 700mA High hier mal als Beispiel angenommen), sondern einen Regler hat, welcher, WENN Strom fliesst, immer 700mA (also Nennstrom im Beispiel) durch die LED schickt - und zur Erzielung der niedrigen Leuchtstufen diesen Strom mit unterschiedlichem Tastverhältnis gepulst fliessen lässt (hier 2%, 30%, 100% Leuchtzeit/Taktzyklus - das wäre übrigens die Wunschabstufung für eine Lampe für mich, und gerne mit einer PWM-Frequenz deutlich oberhalb von 100Hz...).

Ich schrieb also nie von Überschreitung des Nennstroms (auch nicht in Betriebsdauer-Bruchteilen. Und da sind meine Aussagen
auch speziell auf den Tint-Shift sehr wohl zutreffend, dass die DC-Lampe diesen Tint-Shift aufweist, während dies bei der PWM-geregelten Lampe nicht der Fall ist.

-ZiLi-

@HiltiHome
Ich bin einigen Deiner links gefolgt und habe erstmals kapiert, warum mich manche LED-Lampen so 'stören'.
Offensichtlich gehöre ich zu den flackerempfindlichen Typen, und mit meiner Fenix L0 war ich genau deshalb immer unzufrieden, ohne den Grund zu kennen.

@ZiLi

ch ging hingegen (wie Du ja mittlerweile mitbekommen hast) davon aus, dass (wie es in der Praxis oft geschieht) eine Taschenlampe zur Realisierung verschiedener Helligkeitsstufen NICHT einen DC-Strom im jeweiligen Modus einstellt (14mA low, 210mA medium, 700mA High hier mal als Beispiel angenommen), sondern einen Regler hat, welcher, WENN Strom fliesst, immer 700mA (also Nennstrom im Beispiel) durch die LED schickt - und zur Erzielung der niedrigen Leuchtstufen diesen Strom mit unterschiedlichem Tastverhältnis gepulst fliessen lässt (hier 2%, 30%, 100% Leuchtzeit/Taktzyklus - das wäre übrigens die Wunschabstufung für eine Lampe für mich, und gerne mit einer PWM-Frequenz deutlich oberhalb von 100Hz...).

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Aber doch wohl GANZ deutlich über 100 Hz, oder?

Gibt es Erfahrungswerte, ab welcher Frequenz sensible Augen auch im peripheren Sehbereich das Pulsen NICHT mehr wahrnehmen?



@Cnad

Das setzt aber voraus, dass der Stromregler zwischen PWM und LED sitzt. Und der hat dann wirklich viel zu tun, nämlich jeden Stromimpuls erneut einzuregeln. Das ist eine praktisch schwer zu realisierende Aufgabe.

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[...]

Das Ding zu entwickeln wäre eine ordentliche Aufgabe.

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Frage des Laien: warum ist das eine schwer zu realisierende Aufgabe?
Willst Du ernsthaft sagen, dass es das noch nicht gibt, oder ist die technische Lösung einfach zu aufwändig, zu teuer oder schlicht physisch zu groß für ein LED-Lampengehäuse?

Aus CPF-Link:
LiteFlux LF2: 7670 Hz
Nuwai 654C and 352: 9910 Hz

Die scheinen es dann doch wohl hinbekommen zu haben?

MfG Norbert

Die Problematik bei der gewählten PWM-Frequenz in den gedimmten Betriebsmodi hat was mit der erreichbaren Flankensteilheit des Signals und erreichbaren Ähnlichkeit zum "idealen" Rechteck zu tun - und damit indirekt auch mit den Verlusten im Regler, welche letztendlich in nutzlose Abwärme gehen. Und niedrigere Frequenzen sind wohl schlicht einfacher zu handhaben - zumal die Übergänge zwischen höherfrequenter PWM und DC-Steuerung sowieso fliessend sind, eine "reine" Steuerung mit PWM ist in der Praxis wohl sowieso nicht gegeben.

Die 100Hz meiner L0D-CE sind mir übrigens auch zu niedrig (deshalb schrieb ich ja: 'deutlich oberhalb 100Hz' - "deutlich" ist bei mir ein Zeichen für Signifikanz, z.B. den Faktor 1,5 bis zwei, je nach Situation) - Versuche mit einem Testaufbau und einer Monochrom-LED ergaben für mich eine Mindestfrequenz irgendwo im Bereich von knapp 400Hz, wo ich auch mit Anstrengung keine Flimmereffekte bei Bewegung der LED (genauer gesagt ihres Bilds in einem Spiegel, in dem ich die statisch montierte LED betrachtete) mehr wahrgenommen habe; eine weisse kam mir schon bei etwa 200Hz flimmerfrei vor.

-ZiLi-

Hallo Norbert,

Ab welcher Frequenz eine Lampe mit PWM Steuerung als flimmerfrei empfunden wird, kann ich nicht allgemeingültig sagen.

Meine Hyperion CE-R arbeitet mit 312Hz und auf low flimmert sie mir immer noch.

Ein einfacher Test, um festzustellen, ob eine Lampe PWM verwendet, ist das Anleuchten eines Ventilators, z.B. den eines CPU Kühlers im Computer.
Der stroboskopische Effekt wird sofort sichtbar.

Warum PWM oft mit zu niedriger Frequenz realisiert wird, kann ich ebenfalls nicht mit Sicherheit sagen, vermute aber, dass es darin begründet ist, dass die meisten Lampen eben keine reine PWM Steuerung haben, sondern zusätzlich einen Schaltregler.
Im Schaltregler steigen dann die Verluste in der Spule an, wenn hohe Frequenzen gefahren werden...


@ZiLi:Ich glaube nicht, dass das Flimmern etwas mit der Flankensteilheit des Signals zu tun hat, sondern einfach nur mit der kurzen Leuchtdauer während einer Periode, wenn die Lampe gedimmt ist.


So jetzt kommt noch etwas, bei dem ich nicht völlig sicher bin:
Es gibt den Flupic, einen Treiber von CPF-Member Goldserve.

Dieser ist eine programmierbare PWM Schaltung, die aber einen Sense Widerstand hat. Mangels exakter Beschreibung und Schaltplan vermute ich hierbei einen linear Regler mit PWM Ansteuerung.
Das Teil arbeitet bei 195Hz.

Etliche Mitglieder unseres Forums haben Lampen mit Flupic, aber Klagen über Flimmern sind nicht bekannt.



Heinz

@hiltihome: Ich schreibe auch nicht, dass das Flimmern direkt mit der Flankensteilheit zu tun hat, sondern die realisierbare, möglichst hohe PWM-Frequenz von der realisierbaren Flankensteilheit abhängt - und so indirekt das Flimmern in Kauf genommen wird. Schliesslich entsteht im Schaltregler selbst der überwiegende Teil der Verlustleistung während der Schaltflanke und nicht während der Vollaussteuerung (und natürlich auch nicht während abgedreht ist) - eine höhere Frequenz bei gegebener realisierbarer Flankensteilheit erhöht also die Verlustleistung in der PWM-Schaltung (selbst wenn Kondenstoren und/oder Spulen dadurch kostensparend kleiner werden können).

Ich denke schon, dass die Konstrukteure lieber die höhere Frequenz wählen werden, wenn sie einfach und kostenneutral realisierbar ist. Die reale Tatsache, dass trotzdem immer noch viele, speziell kompakte Lampenkonstruktionen ein relativ niederfrequentes PWM verwenden, deutet aber darauf hin, dass es eben doch nicht völlig trivial zu sein scheint, das 'einfach mal so' zu machen - da zählen halt manchmal ein paar 'lumpige' Cent pro Lampe Einsparung, die sich auf die Gross-Serie rechnen. Die Jungs machen das bestimmt nicht, um uns zu ärgern, selbst wenn sie manchmal wissen, dass sie es besser könnten, wenn sie dürften. Aber das ist dann die Spielwiese der Kleinserien- und Custom-Hersteller - sie müssen nur den Mut haben, diese Marktnischen zu besetzen und gezielt das gerade technisch machbare auch zu machen (und zu bewerben).

Oder glaubt hier jemand an die Verschwörungstheorie, dass die Hersteller immer drei oder vier Verbesserungen fertig in der Schublade liegen haben, um nach Marktsättigung mit einem Modell immer wieder was neues nachlegen zu können - aber prinzipiell nie was aktuell perfekt dem Machbaren entsprechendes auf den Markt bringen, sondern immer nur schön eins nach dem anderen anbringen? Manchmal glaube ichs ja selbst fast. Aber das führt dann zu einer Popcorn-Diskussion, die hier wohl doch nicht ganz passt...


-ZiLi-

Hallo ZiLi,

An Verschwörungstheorie glaube ich nicht,....obwohl.... wenn ich so die Geschwindigkeit mit der Nachfolgemodelle auf den Markt gebracht werden betrachte, muss ich das nochmals überdenken....


PWM ist sowieso erstmal aus der Mode geraten, seit häufig Klagen darüber vorgebracht wurden.

Die vorwiegend asiatischen Hersteller produzieren, was der Markt verlangt und was sich verkaufen lässt und das sind erstmal Lumen, oder besser gesagt schiere Helligkeit.

Flimmern, Flackern, oder sonst was scheint nicht das Thema, solange der Rubel, oder sonst eine Währung rollt.


Wir reden uns hier den Kopf heiß und quälen die Tastaturen, aber die Hersteller juckt es nur, wenn $$$ eine Rolle spielen.



Heinz

Hallo Cnad,

vielen Dank für Deine informativen Postings. Zur Helligkeitsregelung mittels PWM habe ich noch Fragen, die ich mich bisher hier nicht getraut habe zu stellen, da sie Off-Topic wären. Aber das dieser Thread hier akzeptiert wird und es zu den Grundlagen gehört, werde ich meine Fragen doch noch los ;-)

Mir geistert seit einiger Zeit eine Idee durch den Kopf, für die ich noch wissen muß, ob sie so, wie ich mir das denke, überhaupt sinnvoll ist. Ich weiß über LEDs, daß sie einen bestimmten Betriebsstrom benötigen und man diesen einstellt und nicht die Spannung, da diese erst als Abfallspannung in Abhängigkeit vom Strom entsteht (und zwar nicht wie bei einem ohmschen Widerstand).
Die einfachste Möglichkeit zum Betreiben einer Led, ist ein passender Vorwiderstand bei einer festen Betriebsspannung. Angenommen ich habe eine geregelte und stabilisierte Versorgungsspannung von 12V und möchte drei LEDs in Reihe betreiben welche mit 3,5V bei 700mA angegeben sind. Es würden also insgesamt 10,5V abfallen. Die Differenz von 1,5V muß am Vorwiderstand abfallen, ergo muß dieser ~2,14Ohm haben (R=U/I).
Wenn ich einen Schalttransistor mit in die Schaltung baue und diesen durch einen µC gepulst betreibe, kann ich dadurch die Helligkeit der LEDs beeinflussen und betreibe sie auch gepulst immer mit dem richtigen Strom (nach Neuberechnung des Widerstandes, da auch am Transistor Spannung abfällt).

Aus Deinen Ausführungen über PWM und Lichtfarbe ging (für mich) nicht eindeutig hervor, ob dieser Betrieb geeignet und sinnvoll ist.


Fragen und Antworten zu Kühlung von LEDs abgetrennt und hierhin verschoben. Hiltihome

Hallo Northman,

Da Du mehrere LEDs aus einem stabilisierten Netzteil betreiben möchtest, geht es bei Deinem Vorhaben nicht um eine Taschenlampe, sondern vermutlich um eine Leuchte für allgemeine Beleuchtungsaufgaben.

Im Forum Taschenlampen des Messerforums sind solche Leuchten O.T.

Einzelne Aspekte der Dimensionierung passen eventuell noch in unser Forum, aber Wohnraumleuchten und ähnliches passen nicht mehr.


Fertig Treiber mit Dimmer gibt es z.B. bei LED-Shop24.de und ähnlichen Anbietern. Dort ist meistens auch eine Forum angeschlossen, wo ähnliche Fragen behandelt werden.


Heinz