happy-light.de - Ostar15 Konstantstromtreiber

Allgemeines: Das Herzstück des Scheinwerfers ist die Osram Ostar LED (LE-UW E3B). Im Gegensatz zu den meisten anderen Leuchtmitteln werden LED nicht mit konstanter Spannung sondern mit konstantem Strom betrieben.
Die verwendete LED mit Strom zu versorgen ist auch nicht ganz so einfach. Im Datenblatt ist eine Flussspannung von 20,8V bei 700mA Nennstrom angegeben. Allein die Leistungsaufnahme der LED entspricht in diesem Fall schon knapp 15W. Auch die Flussspannung ist sehr hoch, da die LED aus sechs in Reihe geschalteten einzelnen LED-Chips besteht. Daher habe ich mich dazu entschieden einen Step-Up Regler zu verwenden. Also einen Spannungswandler, der aus einer niedrigen Spannung (z.B. 12V) eine höhere Spannung (z.B. 24V) generieren kann. Dazu verwende ich einen Spannungsregler der Firma Linear Technology, den ich mittels eines Current Feedback Loops (Stromrückkopplung) als Konstantstromtreiber arbeiten lasse.

Der Regler arbeitet mit einer relativ niedrigen Taktfrequenz von 100kHz. Daher ist auch die recht groß geratene Spule als Energiespeicher nötig. Allerdings sind 100kHz immer noch hoch genug um kein Summen oder Viepen mehr zu höhren und der Stromripple (restliche Stromschwankungen) hält sich Dank des großen Ladekondensators in Grenzen. Dafür verfügt der Regler über einen internen Überstromschutz (falls doch mal was passieren sollte) und über eine relativ große Gehäuseoberfläche die einen zusätzlichen Kühlkörper erübrigt.

zwei Leistungsstufen: Da nicht in jeder Fahrsituation die volle Leistung nötig ist, sind in der Elektronik sind zwei Schaltstufen vorgesehen. Einmal volle Leistung mit 750mA LED-Strom und einer Ausgangsleistung von ca. 15W. Dabei erreicht die LED ihre Nennleistung und sollte einen Lichtstrom von ca. 750lm abstrahlen. Zudem gibt es noch eine gedimmte Stufe mit einem reduzierten LED-Strom von 260mA. Dimmen ist bei LED im Gegensatz zu herkömmlichen Glühlampen oder Halogenlampen schon daher sinnvoll weil der optische Wirkungsgrad mit sinkenden Strom steigt. Auf der gedimmten Stufe liegt die Ausgangsleistung bei knapp 5W was zu einem Lichtstrom von immer noch ca. 300lm führt.
Zur Sicherheit wird die maximale Ausgangsspannung des Reglers noch zusätzlich auf 24V bergrenzt.

Unterspannungsschutz: Um den angeschlossenen Akku zu schonen, ist die volle Leistung nur bei einer Eingangsspannung von über 13,6V möglich. Unterschreitet die Akkuspannung diesen Wert schaltet die Elektronik automatisch auf die gedimmte Stufe herrunter. Fällt die Akkuspannung noch weiter wird bei Unterschreiten von 12,8V auf "Notlicht" gedimmt. Dabei wird die Ausgansleistung noch einmal deutlich reduziert. Diese Stufe reicht immer noch um problemlos gesehen zu werden. Allerdings sollte man um den Akku zu schonen möglichst schnell (innerhalb der nächsten 15 min) die Beleuchtung ausschalten. Achtung: Die Elektronik besitzt keinen "richtigen" Unterspannungsschutz mit einer Abschaltung der LED selbst. Es erschien mir zu riskant plötzlich im Dunkeln zu stehen. Deshalb sollte nach Reduzierung auf das Notlicht die Lampe schnellstmöglich ausgeschalten werden um den Akku nicht zu beschädigen.

Der verwendbare Spannungbereich der Elektronik ist so konzipiert, das er mit 13-zelligen Ni-MH oder Ni-Cd Akkus oder mit 4-zelligen Li-Ion oder Li-Polymer betrieben werden kann. Ich habe mich der Einfachheit wegen für einen Ni-MH Akku entschieden. Die Spannungen für die beiden Reduzierungen passen jedenfalls für beide Akkutypen. Ein Betrieb mit weniger Zellen ist sicher auch möglich wird aber im Zweifelsfall keine volle Leistung zulassen. Auf jeden Fall ist die Elektronik vor Eingangsspannungen über 19V zu schützen, da die Stromregelung außer Kraft gesetzt wird und die LED direkt vom Akku versorgt wird. Dadurch kann es zu einer Zerstörung der Elektronik bzw. der LED kommen.

Wirkungsgrad in Abhängigeit der Bertriebsspannung

Wirkungsgrad: Das Diagramm stellt den Wirkungsgrad der Elektronik in Abhängigkeit der Eingangsspannung für die drei Ausgangsleistungen dar. Für Stufe 1 und Stufe 2 liegt der Wirkungsgrad durchgängig über 94%. Zur Optimierung des Wirkungsgrades wurde die Akkuspannung extra so hoch wie möglich gewählt (die Akkuspannung im frisch geladenem Zustand liegt nur knapp unterhalb der Flusspanng der LED), damit der Spannungsregler möglichst wenig "arbeiten" muss. Dadurch werden Verluste im magnetischen Kreis und Verluste durch hohe Stromspitzen vermieden.
Für das Notlicht fällt der Wirkungsgrad hingegen deutlich ab, da hier der Eigenverbrauch der Gesammtschaltung schon eine erhebliche Rolle spielt. Aber dann sollte man sowieso schnellstmöglich den Heimweg antreten.

Elektronik für happy-light Ostar15