Konstantstromquelle für LEDs

Die Beleuchtung einer Weihnachtskrippe sollte von mit netzbetriebenen kleinen Glühlampen auf batteriebetriebene LEDs umgerüstet werden, damit die Krippe unabhängig vom Stromnetz ist. Anforderung war, drei gelb-orangene und eine kleinere rote Lampe durch adäquate LEDs zu ersetzen und mit einer Batterie die Beleuchtung für die Dauer der gesamten Adventszeit zu ermöglichen. Nach einigen Recherchen im Internet habe ich mich für den Aufbau einer Konstantstromquelle (KSQ) zur Speisung der LEDs entschlossen.

Vorteile und Funktionsweise

Eine Konstantstromquelle soll dem Verbraucher einer Schaltung (z.B. LEDs) einen gleichmäßigen, d.h. konstanten Stromfluss garantieren, auch wenn die Spannungsquelle, an der die Schaltung hängt, Schwankungen unterliegt. Bei einer Batterie oder einem Akku kann das das langsame Nachlassen der Spannungsversorgung sein.
Ist die Durchflussspannung bei einer LED nicht bekannt, so kann sie um bis zu 0,5V von der als typisch angegebene Spannung abweichen. Beim Einsatz einer KSQ stimmt die Stromstärke unabhängig von der Durchflussspannung.

Konstantstromquelle mit zwei Transistoren

Man findet im WWW eine Vielzahl von Schaltplänen und Möglichkeiten eine KSQ aufzubauen, doch hier habe ich mich für einen recht simplen Aufbau entschieden. Anscheinend ist dies auch die KSQ mit dem niedrigsten "Drop" von etwa 0,7V, d.h. der Differenz zwischen der mindestens erforderlichen Eingangsspannung und der beim gewünschten Strom erforderlichen Durchflussspannung der LEDs.
Diese Art der KSQ ist recht ineffizient, wenn Eingangsspannung und Durchflussspannung der LEDs zu weit auseinander liegen, weil die gesamte Spannungsdifferenz im Wärme umgesetzt wird.

Schaltplan
Abb.: Schaltplan der Konstantstromquelle mit zwei Transistoren

Nach dem Anlegen der Betriebsspannung öffnet der Transistor Q1. Dadurch fließt auch durch die Basis des Transistors Q2 ein Strom und dieser öffnet ebenfalls. Nach dem Öffnen von Q2 wird über die Kollektor-Emitterstrecke von Q2 der Widerstand R2 mit Masse verbunden, wodurch die Spannung an der Basis des Transistors Q1 zurückgeht und dieser wieder mehr schließt. Die Schaltung reguliert sich so, das am Widerstand R1 eine Spannung von etwa 0,7 Volt abfällt - die bekannte Basis-Emitterspannung eines durchgeschalteten Transistors.
Bei 2mA ergibt sich für den Widerstand R1 mit seinen 330Ω über das Ohmsche Gesetz eine Spannung von 0,7V
U = I × R
0,002 A × 330 Ω = 0,7 V

Belastung von R1: Im Regelbetrieb fallen hier immer 0,7V bei gegebener Stromstärke ab, d.h. er sollte 0,7 V × I an Leistung aushalten können. In unserem Fall sind das 1,4mW. Für die meisten Anwendungen (I < 300mA) sollte also ein gewöhnlicher 1/4W-Widerstand ausreichen.

Der Widerstand R2 sollte so groß wie möglich und so klein wie nötig gewählt werden, denn er trägt nichts zur Lichtausbeute bei und setzt den Strom in Wärme um. Damit die Schaltung aber dennoch funktioniert muss der Basisstrom an Q1 groß genug gewählt werden, dass nach der Stromverstärkung (Richtwert: 100) ausreichend Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecke fließen kann, um die gewünschte Stromstärke durch die LED zu erhalten.

Generell eignet sich die KSQ mit zwei Transistoren für Stromstärken von bis zu 100mA. Durch Verwendung stärkerer Transistoren (z.B. BC337) können bis zu 200mA erreicht werden. Die Eingangsspannung kann auch bis zu 30V sein.

Eine Alternative zur dieser KSQ ist ein LM317 als Konstantstromquelle.

Verwendete Bauteile

Aufbau

Aufbau
Abb.: Aufbau der KSQ auf dem Breadboard
Aufbau-Variante #1
Abb.: Aufbau-Variante #1 mit langen Kabeln und noch recht unübersichtlich
Aufbau-Variante #2
Abb.: Aufbau-Variante #2 mit Drahtbrücken und kürzeren Abständen. Deutlich übersichtlicher...
Aufbau-Variante #3
Abb.: Aufbau-Variante #3 nach dem Design in "Fritzing" aufgebaut.

Platinen-Design

Platine: Obere Ansicht
Abb.: Platine: Obere Ansicht
Platine: Untere Ansicht
Abb.: Platine: Untere Ansicht (spiegelverkehrt)
Fertig gelötete Platine
Abb.: Fertig gelötete Platine
Fertig gelötete Platine
Abb.: Fertig gelötete Platine
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