Zehnfache LED-Stromquelle: Strom für bis zu 100 LEDs konstant halten

Wollen Sie eine Beleuchtung mit vielen LEDs realisieren? Dann denken Sie bestimmt: Das geht einfach – man nehme LEDs plus Vorwiderstände. Das stimmt zwar für ein einfachstes Vorgehen, aber hier wird eine Luxusausführung mit extrem genauen und stabilen Strömen für bis zu 100 weiße LEDs beschrieben. 

Für das Fest der Lichter a.k.a. Weihnachten habe ich eine Stromversorgung für LEDs gebaut, mit der man die Betriebsströme sehr präzise und stabil einstellen kann. Hierzu eignet sich ein „programmierbarer Stromregler“ wie das IC LT3092 hervorragend. Dabei handelt es sich um eine integrierte serielle Stromquelle mit einem einstellbarem Strom zwischen 0,5 mA und etwa 300 mA . Bei Versorgung mit 24 V lassen sich damit bis zu sechs weiße LEDs in Serie betreiben.

Stromquellen-IC

Das Datenblatt zum LT3092 gibt an, dass das IC maximal etwa 1 W Verlustleitung verträgt. In diesem Datenblatt ist die Prinzipschaltung von Bild 1 zu finden. Enthalten ist auch die Formel für die Einstellung des Konstantstroms und die Angabe für die minimale und maximale Spannung, die über dem IC abfallen darf.

Da die Vorwärtsspannung einer „normalen“ weißen LED beim Nennstrom von 20 mA typischerweise bei etwa 3,3 V liegt, reicht logischerweise zum Betrieb einer einzigen LED schon eine Versorgungsspannung von 5 V aus, da 3,3 V und der minimale Spannungsabfall von 1,2 V in Summe 4,5 V ergeben. An 12 V sind drei in Serie geschaltete LEDs kein Problem und an 24 V sind sogar sechs LEDs in Serie möglich. Will man es auf die Spitze treiben, kann man bei einer Versorgung mit 36 V sogar bis zu zehn weiße LEDs in Serie schalten. Von andersfarbigen LEDs mit geringerer Vorwärtsspannung kann man entsprechend noch mehr seriell einsetzen. Bei High-Power-LEDs können auch weniger möglich sein, da hier bei höheren Strömen bis zu 3,6 V abfallen können.

Laut der Formel von Bild 1 ergibt sich der Strom aus dem Spannungsabfall an R_SET durch R_OUT. Da durch R_SET 10 µA fließen, lässt sich der Spannungsabfall leicht berechnen: Bei 100 kΩ für R_SET ergibt sich eine Spannung von 1 V. Da sich dieser Spannungsabfall zur minimalen Spannung über dem IC addiert, empfiehlt es sich, mit kleineren Widerständen zu arbeiten, denn mit 100 kΩ und dem sich ergebenden Gesamtspannungsabfall von minimal 2,2 V lässt sich an 5 V nämlich schon keine einzelne weiße LED mehr stabil betreiben. 30 kΩ wären praktikabler, denn beim Nennstrom einer bedrahteten 3- oder 5-mm-LED von 20 mA ergäbe sich dann ein R_OUT von 15 Ω und der Gesamtspannungsabfall an der Schaltung läge so bei akzeptablen 1,5 V.

Wie schon erwähnt beträgt die maximale Verlustleistung des ICs 1 W. Der hier verwendete Typ LT3092IST#PBF steckt in einem dreipoligen SO223-Gehäuse. Die entstehende Wärme wird über ein „exposed pad“ abgeleitet, das als vierter Pin mit dem Ausgang verbunden sein sollte. In der Tabelle „Platinenfläche und Wärmewiderstand“ kann man ersehen, wie groß der benötigte Platinenplatz ausfallen muss, um die entstehende Wärme abzuführen.

Schaltung

Die Schaltung von Bild 2 ist simpel, denn es ist schlicht die Verzehnfachung der Prinzipschaltung. Für R11…R20 wählt man, wie für 20 mA vorgeschlagen, einen Wert von 30 kΩ aus der E24-Reihe und 15 Ω für R1…R10. Widerstände mit 1% Toleranz sind hier vorteilhaft, denn dann hat man zumindest elektrisch dafür gesorgt, dass alle LEDs von einem ziemlich gleichen Strom durchflossen werden, was Helligkeitsunterschiede minimiert.

Für geringere Helligkeiten kann man dann R1…R10 erhöhen. Bei 30 Ω ergeben sich beispielsweise 10 mA und bei 62 Ω knapp 5 mA. Die speziell für die zehnfache Stromquelle entwickelte Platine ist für kleine Ströme bis 25 mA vorgesehen, da sie aufgrund ihrer begrenzten Fläche nicht allzu viel Wärme abführen kann. Dafür ist sie sehr kompakt und die Layout-Dateien können im Target3001-Format kostenlos unter heruntergeladen werden. Die Platine ist für praktische zweipolige Steckverbindungen vorgesehen, an die man verpolungssicher insgesamt zehn LEDs beziehungsweise zehn Serienschaltungen von jeweils bis zu jeweils 10 LEDs (bei einem Betrieb an 36 V) anschließen kann. Der Prototyp ist in Bild 3 zu sehen.

Zur Betriebsspannung: Da an einem IC minimal 1,2 V plus die 0,3 V von R_OUT abfallen, sollte die Betriebsspannung daher mindestens n x Vorwärtsspannung +1,5 V betragen, wobei n die Anzahl an in Serie geschalteten LEDs angibt. Aber auch nach oben gibt es Grenzen, die durch die Verlustleistung bedingt sind: Wenn man die Verlustleistung pro IC auf sinnvolle 100 mW begrenzt, dürfen daran nur etwa 5 V abfallen. Die Betriebsspannung der Schaltung sollte daher in der Praxis bei weißen LEDs im Bereich n x 3,3 V + 1,5…5,3 V liegen.

Außerdem

Das IC LT3092 ist mit Preisen von über 4 € nicht ganz preiswert. Die Sache lohnt also nur, wenn man aus Gründen der Stabilität so viel Aufwand treiben möchte. Man muss allerdings nicht zwangsläufig die ganze Platine bestücken. Bei 30 zu betreibenden LEDs kommt man beispielsweise mit drei ICs an 36 V oder fünf ICs an 24 V aus, was deutlich preiswerter als eine 12-V-Lösung ist, die zehn ICs erfordert. Sollten später mehr LEDs erforderlich sein, kann man die Platine immer noch nachrüsten und bleibt so flexibel. C1 sollte natürlich an die Versorgungsspannung angepasst sein: Beispielsweise kann an einem 12-V-Netzteil die Spannungsfestigkeit auch nur 16 V betragen. Es werden relativ große SMD-Bauteile verwendet, die sich gut von Hand löten lassen.

Noch ein Wort zu den Kosten: Mit dem Ersatztyp LT3082 kann man fast einen Euro pro IC einsparen. Zur Versorgung eignen sich kleine Steckernetzteile passender Spannung. Kleine Schaltnetzteile überzeugen gegenüber analogen, stabilisierten Modellen durch einen höheren Wirkungsgrad. Unstabilisierte Netzteile sollte man nicht verwenden, weil hier unter Umständen die Verlustleistung der ICs zu hoch ausfallen könnte. Da der ganze Strom direkt durch die LEDs fließt, lässt sich auch die erforderliche Strombelastbarkeit leicht berechnen. Für zehn LED-Kanäle mit je 20 mA kämen folglich 200 mA zusammen. Das wiederum liefert fast jedes Netzteil, das man kaufen kann.

Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel erschien im Elektor Circuit Special 2022.