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 Projekt: LED Beleuchtung an Bord

Boat electronics  -  Yachtelektronikfwallenwein schreibt
Es muss ja nicht immer etwas Kompliziertes sein - hier eine kleine einfache Schaltung, die ich an Bord gut gebrauchen konnte.

Heute möchte ich Euch zeigen was es beim Anschluss von LED's an das Bordnetz zu beachten ist und ich möchte eine Konstantstromquelle für LED's vorstellen.

LED's als Hintergrund- oder Detailbeleuchtung sind eine schöne Sache.
Die LED's kann man fast überall einbauen. Sie verbrauchen sehr wenig Strom, werden nicht heiß, haben eine lange Lebensdauer, sind vibrationsunempfindlich und sind in vielen Farben und für wenig Geld zu bekommen.
Alles Eigenschaften, die die LED als Beleuchtungsquelle für uns interessant macht.

Nur lassen sie sich nicht ganz so einfach wie eine Glühlampe anschliessen. Sie müssen richtig herum angeschlossen werden, brauchen seltsame Dinge wie "Vorwiderstände" oder "Vorschaltplatinen".

In diesem Artikel wird nicht nur die Schaltung der Konstantstromquelle beschrieben, es wird auch Allgemeines über die LED's, Ihre Eigenschaften und Anschlussmöglichkeiten gezeigt.

Der Artikel ist für Nicht-Elektroniker gedacht, die sich für LED's an Bord interessieren aber nicht genau wissen, wie man diese Bauelemente benutzt.

200px-Uv-LED





Um eine LED einzubauen, braucht man keine große Fassung oder Leuchte. Man kann z.B. einfach ein Loch in eine Holzleiste bohren und die LED hineinschieben.

Die Helligkeit reicht aus, um zu lesen, Geräte zu bedienen und sich nachts im Boot zurechtzufinden. Die Freiwache wird durch das Licht nicht gestört und um die Batterie muss man sich wegen des geringen Stromverbrauchs auch keine Sorgen machen. Da die LED ( bei richtiger Beschaltung ) nicht heiß wird, kann sie fast überall eingebaut werden.
( Bitte trotzdem - keine LED Tank-Innenbeleuchtung basteln Smile )



Elektrische Unterschiede LED <-> Glühlampe


Bei Glühbirnen schauen wir auf die angegebene Spannung und die Leistung ( 12 Volt 5 Watt ). Wenn das passt, können wir sie ins Boot schrauben. Die Lampe wird sich so viel Strom aus den Batterien ziehen, wie sie braucht. Wie können die zwei Leitungen für + und - beliebig anschliessen.

Bei LED's verhält es sich ein wenig anders.
Bei der LED ist der Anschluss der + und der - Leitung nicht mehr egal.
( Genauere Erklärung siehe unten )
Eine LED braucht eine sehr geringe Mindestspannung - je nach Typ 1,2 - 1,6 .. 4 Volt. Das sind alles Werte, die für unsere 12 (14) Volt Bordbatterie kein Problem sind. Wir können sogar einige LED'S in Reihe schalten. Für uns ist also die Spannung nicht der ausschlaggebende Faktor.

Eine LED hat einen optimalen Strom. Dies ist der Strom, der durch sie fliessen soll, dass sie nicht verbrennt aber gut und hell leuchtet.

Durch eine "normale" LED fließen ca. 20 mA ( milli Ampere )
Es gibt auch "Low Current" LED's die nur 2 mA brauchen und superhelle oder andere spezielle LED's, die bis zu 1 A brauchen. Beim Anschluss an das Bordnetz müssen wir es also irgendwie bewerkstelligen, dass durch die LED der benötigte Strom fließt - nicht zu wenig, aber auf keinen Fall zu viel.

Wenn wir die LED an unsere vorhandenen 12 Volt anschliessen würden, würde ein viel zu hoher Strom fließen. Die LED würde sofort durchbrennen. Also müssen wir den Strom begrenzen.


LED's an die Bordspannung anpassen


Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten
  • Man kann einen Widerstand vorschalten
  • Man kann den Strom durch die LED regeln

Einen Widerstand vorschalten :Widerstand_K


Wir kennen die Bordspannung, wir kennen den Strom der durch die LED fließen soll, wir kennen die LED Spannung. Daraus lässt sich leicht ein Vorwiderstand berechnen.
Hier hilft uns die Formelsammlung für Elektriker - oder wir schauen in's Internet. Dort finden wir einen online Vorwiderstandsrechner speziell für LED's.

Ein Beispiel :
Wir wollen eine normale gelbe LED anschließen.
Im Datenblatt finden wir : Die gelbe LED braucht 2,2 Volt. Wir wollen eine normale 20 mA LED verwenden. Unser Bordnetz kann bis zu 14,4 Volt haben.
Also müssen wir 12,2 Volt ( 14,4 V - 2,2 V ) "vernichten".
Bei unseren 20mA benötigen wir einen Widerstand von 610 Ohm.
( Widerstand = Spannung / Strom. Widerstand = 12,2 Volt / 0.02 A = 610 Ohm )
Den gibt es aber im Laden nicht zu kaufen. Der nächste verfügbare Wert ist ein 680 Ohm Widerstand. Dann haben wir zwar keine 20mA sondern 17.94 mA. Der Unterschied wird jedoch nicht wirklich sichtbar sein. Die LED wird vielleicht ein winziges bisschen dunkler.
So wie beschrieben kann man das machen - es wird funktionieren.


Der Vorteil - Ein Widerstand ist so ziemlich die billigste Methode, den Strom anzupassen. Ein Widerstand ist klein und kann überall versteckt werden

Der Nachteil - unser Bordnetz hat nicht immer 14,4 Volt. Wenn wir die Batterie nicht gerade laden, dann haben wir weniger - vielleicht 13 Volt. Wenn wir die Navi Lichter einschalten sind es vielleicht nur noch 12 Volt. Wenn wir gerade vorglühen oder den Motor anlassen, dann kann es noch weniger sein. Der Widerstand ist immer noch derselbe. Er muss aber für die maximal mögliche Spannung ausgelegt sein.
Die LED ist nicht immer gleich hell und nicht so gut vor Überspannungen geschützt.



Den Strom regeln :konstantstrom


Am besten arbeitet die LED wenn wir es schaffen, immer den optimalen Strom durch die LED fließen zu lassen.
Hierfür gibt es einfache elektronische Schaltungen. Diese Schaltungen wirken wie eine Art "automatisch sich selbst an die Spannung anpassender Widerstand". Sie werden Konstantstromquelle genannt.

Es wird dauernd der Strom durch die LED gemessen. Wenn der Strom nicht mehr stimmt - weil die Spannung zu groß oder zu klein geworden ist - dann ändert sich dieser "Widerstand" von selbst. Die LED wird sofort wieder mit dem optimalen Strom versorgt.
( Wer mehr Theorie oder Hintergrundwissen sucht, der wird beim ELektronik KOmpendium fündig )
Diese Konstantstrom Schaltungen arbeiten meistens mit Spannungen im Bereich von 5 Volt bis 24 Volt oder gar 40 Volt. Man kann also eine normale LED anschließen, ohne sich um Spannung oder Widerstandsberechnung kümmern zu müssen. Da die Schaltung sich um die Widerstandseinstellung kümmert, kann man auch mehrere LED's hintereinander ( in Reihe ) anschließen.

Der Vorteil - Mit dieser Schaltung wird die LED in einem großen Spannungsbereich immer gleich hell leuchten und vor zu viel Strom geschützt sein. Es können ohne Änderung der Schaltung auch 2, 3 oder 4 LED's in Reihe gleichzeitig an eine Schaltung angeschlossen werden.

Der Nachteil - Eine solche Schaltung ist nicht ganz so klein wie ein einzelner Widerstand.
Ein einzelner Widerstand ist billiger.
( Allerdings nur, wenn wir den passenden Widerstand schon haben. Einzelne Widerstände zu kaufen lohnt nicht. Die meisten Versender haben sowieso Mindestbestellmengen im Gegenwert von 30, 40 oder mehr Widerständen )

Eine solche Schaltung finden Sie bei verschiedenen Elektronik Versendern und auch bei Ebay.


 
Bausatz
Wir haben in unserem Webshop zum einen Bausatz zusammengestellt, der eine Konstantstomquelle, verschiedene LED's, Lötzinn und eine Anleitung enthällt. 


Webshop.





Wie wird die LED selbst angeschlossen


Bei der LED muss man + und - beachten.
Die LED hat zwei Anschlußbeinchen. Diese werden Anode und Kathode genannt.


  Die Anode ist der PLUS Anschluss - das längere Beinchen
Die Kathode ist der MINUS Anschluss - das kurze Beinchen.



LEDGanzansichtKl
In der LED sieht man einen kleinen Kelch - den Reflektor.
Der Reflektor ist normalerweise die Kathode - also der Minus Anschluss.
( Merksatz: Kathode - Kurz - Kelch )


LEDReflektor


 

Eine LED wird in einem Schaltplan folgendermaßen dargestellt

LEDSchaltbild

Für die nachfolgenden LED Schaltungen nehmen wir wieder an, dass wir eine Bordspannung von 14,4 Volt haben, dass wir normale gelbe 20mA LED's verwenden, die 2,2 Volt Spannung haben.

Die einfachste LED Schaltung

LEDSchaltung1
Wir sehen die Batterie. An den PLUS-Pol der Batterie ist mit einer Leitung der Vorwiderstand angeschlossen. Von dort geht eine Leitung zur Anode ( Plus Anschluss ) der LED, und von der Kathode ( Minus Anschluss ) der LED geht eine Leitung zurück zum Minuspol der Batterie.

( Bild folgt in Kürze )



Wir können auch mehrere LED's in Reihe schalten.
LEDSchaltung2


Wie wir sehen, brauchten wir hier einen anderen Vorwiderstand. Wir hatten angenommen, dass wir normale gelbe 20mA LED's verwenden, die 2,2 Volt Spannung brauchen. Durch die Schaltung werden noch immer 20 mA fließen - jetzt müssen wir aber nicht mehr - wie im Beispiel oben - 12,2 Volt ( 14,4 V - 2,2 V ) "vernichten". Dieses Mal haben wir 2 LED's und müssen nun 10,0 Volt ( 14,4 V - 2,2 V - 2,2V ) mit dem Widerstand "vernichten".

Wir sehen, der Vorwiderstand ist abhängig von der Anzahl der LED's, von der Bordspannung, und von der Arbeitsspannung der LED's. Wenn die Bordspannung abfallen sollte, dann werden die LED's dunkler.

Diese Nachteile können wir umgehen, wenn wir statt des Vorwiderstandes die oben besprochene Stromregelung verwenden. An diese Stromregelschaltung können wir 1, 2, 3, 4 ... LED's in Reihe anschließen, ohne die Schaltung ändern zu müssen. Und die Helligkeit ist relativ unabhängig von der Bordspannung.

Wie sieht das in der Praxis aus ?

Schauen wir uns den Anschluss einer LED mit Vorwiderstand an.

Wir legen uns die LED und den Vorwiederstand bereit.

ledproj1kl
( Zum Vergrößern- Bild anklicken )


Wir können die LED Beinchen und die Anschlußdrähte bei Bedarf vorher kürzen.
Nun wird der Vorwiderstand an ein LED Bein angelötet.
Es ist bei dieser Schaltung volkommen egal, ob wie den Widerstand an die Anode ( + ) oder Kathode ( - ) der LED anlöten.

ledproj3kl
( Zum Vergrößern- Bild anklicken )


Das war schon alles.

Nun müssen wir nur noch den Strom anschliessen.
Hierbei müssen wir aber auf Plus und Minus achten !!!

ledproj2kl
( Zum Vergrößern- Bild anklicken )

.... und wir haben usere erste LED mit Vorwiderstand zum Leuchten gebracht !!



Anschluss an eine Konstantstromquelle

Der Anschluss an eine Konstantstromquelle ist sogar noch einfacher.
ledproj5kl

( Zum Vergrößern- Bild anklicken )

Die Konstantstromquelle hat eine Plus und einen Minus Anschluss für die Bordspannung und einen Anoden und einen Kathoden Anschluss.
Bitte die richtige Polung beachten - dann kann eingentlich nichts schief gehen.

Wie gesagt können wir hier auch zwei oder mehr LED's in Reihe geschaltet anschließen ohne an der Schaltung etwas änder zu müssen.

Anoden Ausgang der Stromqulle --> Anode LED1
Kathode LED1 mit Anode LED2 verbinden
Kathode LED2 mit dem Kathodenanschluß der Stromquelle verbinden.

ledproj4kl


Sofort stellt sich die Frage - wieviele LED's kann ich ich Reihe schalten ?
Grundsätzlich gilt - je mehr LED's, desto höher muss die Anschlußspannung sein.
An den LED's teilt sich die zur Verfügung stehende Spannung auf.
D.h. Jede Led "verbraucht" einen Teil der Betriebsspannung, und auch die Konstantstomquelle benötige einige Volt - um überhaupt noch regeln zu können.


Man kann sagen :
Die mindest Betriebsspannung der LED Konstantstromquelle beginnt bei ca. 5 Volt - für den Anschluss einer LED. Das sollte für unser Bordnetz überhaupt kein Problem sein. Sollte unsere Bordspannug mal unter 5 Volt fallen - dann haben wir ganz andere Probleme als die LED Beleuchtung.

Für jede zusätzlich in Reihe geschaltete LED erhöht sie sich die benötigte Eingangsspannung um die Betriebsspannung der LED.

Beisp.:
- Bei zwei LED's mit einer Betriebsspannung von 2 Volt sollte die Betriebsspannung der Konstantstromquelle 7 Volt nicht unterschreiten.
- Bei drei LED's mit einer Betriebsspannung von 2 Volt sollte die Betriebsspannung der Konstantstromquelle 9 Volt nicht unterschreiten.
- Bei vier LED's mit einer Betriebsspannung von 2 Volt sollte die Betriebsspannung der Konstantstromquelle 11 Volt nicht unterschreiten.


Wird diese Betriebsspannung unterschritten, so kann die Konstantstromquelle nichts mehr regeln. Die LED's werden dann trotz Konstantstromquelle dunkler werden.




Leistungsbetrachtung

Wir sollten auch noch einen kurzen Blick auf die Energien werfen, mit denen wir es hier zu tun haben.

Um die "Energie in der Leutdiode" zu begrenzen wird die Schaltung mit dem Vorwiderstand oder der Stromregelung verwendet. Beide Varianten begrenzen die in der LED umgesetzte Leistung dadurch, dass sie überflüssige Energie in Wärme umwandeln und "verbraten" - sprich die Kajüte heizen :-)

Was kommt denn das so zusammen.

Nehmen wir wieder unsere 20 mA Leutdiode.
Wenn wir eine Diode anschliessen wollen und diese mit 14,4 Volt betreiben wollen, dann wird - wie oben gesehen - der Widerstand 12,2 Volt bei 20 mA in Wärme umwandeln.
Die Leistung ist Spannung mal Strom = P=UxI

12,2V * 0,02A = 0,24 Watt.

Warum interessiert uns das ?
Nun - der Widerstand wird eine Leistung von ca. 1/4 Watt in Wärme umsetzen. Das bedeutet - er wird warm.

Wenn wir in den Laden gehen und einen Widerstand einkaufen wollen, dann müssen wir nicht nur den Widerstandswert beachten, sondern auch die maximale Widerstandsleistung.
Es gibit 1/8 Watt, 1/4 Watt, 1/2 Watt, 1 Watt usw. Widerstände.

Hätten wir für die LED einen 1/8 Watt Widerstand eingekauft - dann hätten wir nun ein Problem.
Der Widerstand ist zwar schön klein, und auch billig , aber der Widerstand ist nicht für diese Leistung ausgelegt. Er würde zu heiss, er würde verbrennen.

Nicht nur der Widerstand geht kaputt. Auch das ganze Boot ist in Gefahr. Man kann Widerstände in der Tat so überlasten, dass sie anfangen zu glühen und zu brennen.

Also - denken wir uns - wir haben ja 0,24 Watt herausgefunden. Da nehmen wir einen 1/4 Watt Widerstand - und alles ist in Butter.

Das stimmt - in der Theorie. Aber elektische Bauteile sollten nicht dauerhaft an Ihre Grenzen getrieben werden.
Egal ob zulässige Spannung, zulässiger Stom, zulässige Leistung - ein elektronisches Bauelement, dass permanent an den zulässigen Grenzen betrieben wird, wird schneller altern und kaputt gehen.
Nehmt also für unser Beispiel lieber eine 1/2 Watt Widerstand.

Aber muss ich die überflüssige Energie denn unbedingt in unnützer Wärme verbraten ?

Die Antwort lautet natürlich : NEIN - müssen wir nicht.

Wir können ein Vorschaltgerät nehmen, dass die Energie besser Umwandelt.
Es gibt Spannungs und Stromregler die einen besseren Wirkungsgrad haben, also weniger Abwärme produzieren.
Dabei handelt es sich um Schaltnetzteile ( oft auch Step-Down-Wandler geannnt ).
Die werden natürlich auch ein wenig warm. Wenn man sie bis an ihre Grenzen belastet, dann werden sie auch ziemlich warm. Aber sie wandeln die Spannungen und Stöme einfach viel besser um und werden - verglichen mit den anderen Varianten - erst später und auch weniger warm.

Der Nachteil - diese Teile kosten einiges mehr.
Leider ist es mal wieder so - DIE richtige Lösung kann ich nicht anbieten. Es kommt darauf an, was man will, was man bezahlen will, welche Spannungen und Ströme man einsetzen will.

Für ein paar LED's am Bordnetz, wird wahrscheinlich niemand eine Schaltnetzteil kaufen wollen.
Wenn ich aber 50 Led's an 14 Volt anschliessen will, dann könnte man schon mal überlegen, ob man nicht
erst ein Schaltnetzteil einsetzt. Es kann die Spannung auf - sagen wir 4 oder 5 Volt - mit einem guten Wirkungsgrad herunterbringen, und nur noch der kleine Rest wird am Widerstand umgesetzt.

By the way - Nein - die Idee ein mit dem Schaltnetzteil gleich auf unsere 2,2 Volt runter zu gehen und die LED ohne Widerstande / Stromregelung anzuschliessen - diese Idee ist NICHT GUT. Die LED wird nicht lange überleben. LED's ohne Strombegrenzung leben niemals lange. Auch wenn die Spannung anscheinend stimmt.



Artikel wird fortgesetzt .....



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Re: LED Beleuchtung an Bord (Punkte: 1)
von bags03 auf Mittwoch, 03.Dezember. @ 08:56:15 CET
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