Power-RGB-LED über Transistor schalten:
Eine RGB-LED kann ich, wie ich gezeigt habe, sehr gut mit meinem kleinen NodeMCU-Controller steuern. Aber wie sieht es aus wenn ich eine stärkere Lichtquelle steuern möchte. Die NodeMCU gibt nicht genug Leistung ab um eine Power-LED an ihr zu betreiben. Des Rätsels Lösung, einen Transistor als Leistungsschalter verwenden.
Doch wie soll das gehen?
Daten meiner Power-RGB-LED:
Zunächst brauche ich mal eine Power-RGB-LED und deren genauere Daten. Ich habe vor einiger Zeit mal so ein Teil geschenkt bekommen, jedoch ohne Datenblatt. Den genauen Typ kann ich auch nicht ersehen.
Somit bleibt mir nur, die Daten selbst zu ermittel.
Mit einem Labornetzgerät mit genauer Volt-Anzeige und einem Amperemeter (das im Netzgerät eingebaute ist zu ungenau) mache ich mich an die Aufzeichnung der einzelnen Kennlinien für Rot, Grün und Blau.
Bei der Aufnahme der Kennlinien zeigen sich Abweichungen der Farben zueinander. Auch ist festzustellen, dass ab einem Stromfluss größer 80 mA, zumindest rein subjektiv, die Helligkeit nur noch gering anwächst. Mit steigender Stromstärke wird der wahrnehmbare Helligkeitszuwachs immer geringer, so dass ab 120 mA keine Zunahme mehr festzustellen ist. Dies trifft auf alle drei Farben gleichermaßen zu.
Aber Achtung! schaut niemals direkt in die LED. Projektiert lieber das Licht über eine weiße Fläche um die Leuchtkraft zu ermitteln.
Angeblich soll die LED eine Leistung von 3 Watt aufweisen. Mit allem Wohlwollen komme ich mal gerade auf 0,5 Watt. Vermutlich ist mit der Angabe die Lichtleistung gemeint.
Ich baue zunächst mal eine Versuchs-Transistorschaltung auf:
Dazu mache ich mir folgende Gedanken:
Ich möchte die LED an einem 5V Netzgerät betreiben. Eine kleinere Spannung macht keinen Sinn, denn wie aus der Kennlinie zu ersehen ist, benötigt die Blaue LED bereits 3,3 V als Arbeitsspannung. Da bleibt für den Transistor nichts mehr übrig. Verwende ich eine höhere Spannung benötige ich wiederum Schutzwiderstände für die LED.
Der Stromfluss jeder Farbe sollte zwischen 100 und 130 mA betragen. Dabei ist es egal ob 100 oder 130 mA durch die Einzelnen LED’s fließen, da hier kaum noch ein Helligkeitsunterschied festzustellen ist.
Als Transistor habe ich einen 2N2222a zur Verfügung. Laut Datenblatt verträgt er einen Kollektorstrom (IK) von 600 mA und die max. Leistung liegt bei 650 mW. Dieser Werte reichen bei der von mir gewählten Schaltvariante in jedem Fall aus, zumal die Verlustleistung des Transistors bei der Roten LED kaum über 350 mW kommen dürfte (UKE * IK ). Bei den anderen Farben ist der Wert noch geringer.
Bleibt noch die Frage, wie groß muss ich meinen Basis Vorwiderstand wählen? An der Basis kommt eine Spannung von 3,3 V zum Tragen, da die NodeMCU diese maximal liefert. Die Spannung UBE wird etwa bei 0,7 V liegen, so dass die Spannung am Widerstand etwa 2,6 V beträgt. Ich gehe davon aus, dass der Transistor einen etwa um den Faktor 200 höheren IK als den IB hat (Stromverstärkung Laut Datenblatt). Damit liegt mein IB bei 120 mA/200 = 0,6 mA, was einem Widerstand R = U/I von 2,6 V/0,0006 A ca.4300 Ohm entspricht.
Der Versuchsaufbau
Bevor ich hier lange herum spekuliere probiere ich es am einfachsten aus. Ich verwende einen 10 kOhm Potentiometer als Basisvorwiderstand, den ich langsam zurückregele und dabei den Kollektorstrom beobachte bis etwa 120 mA erreicht sind. Danach ermittle ich mit einem Ohmmeter den Eingestellten Widerstandswert. Dies wiederhole ich für jede Farbe getrennt.
Wer hier etwas vorsichtiger sein möchte oder auf die Vorabberechnung verzichtet beginnt mit einem größeren Poti (z.B. 100 kOhm).
Aber Achtung! Das Ohmmeter niemals an unter Spannung stehenden Teilen verwenden, dies führt zu Fehlmessungen oder der Zerstörung des Messgerätes. Auch sollte man den Poti vor der Messung aus dem Stromkreis nehmen um nicht weitere Bauteile in die Messung mit einzubeziehen.
Theorie und Praxis sind doch zwei verschiedene Schuhe. Der Stromfluss durch die LED ist nicht konstant sondern verändert sich mit der Wärmeentwicklung. Somit hat mein Ergebnis auch eine gewisse Streuung. Aber da es ohnehin nicht so genau darauf ankommt ob 100 mA oder 130 mA und auch die Widerstände nur in festen Größen vorliegen, komme ich auf einen gängigen Wert von 5,1 kOhm als Basisvorwiderstand für jede Farbe.
Mit den gesammelten Erkenntnissen kann ich jetzt meine Schaltung aufbauen.
Die Schaltung:
Die Schaltung lässt sich mit der aus der im letzten Kapitel erstellten VIS-Oberfläche einfach testen.
Die Farben werden ziemlich gut getroffen, auch ist das weiß bei gleichmäßiger Sättigung der drei Farben gut und strahlt als leuchtendes weißes Licht. Die Helligkeitsdynamik ist auch gut und die Leuchtkraft geht kontinuierlich mit dem Dimmer zurück.
Somit scheine ich alles richtig gemacht zu haben.
Ihr seht, es ist gar nicht so schwer auch größere Lasten mit einem Mikrocontroller zu steuern. Die oben aufgeführte Berechnung gilt natürlich nur für die von mir verwendeten Bauteile. Solltet ihr andere einsetzen ist die Berechnung neu festzulegen. Bzw. bei wesentlich höheren Leistungen der RGB-LED sind geeignete Leistungsverstärker oder spezielle RGB-Controller zu verwenden. Da macht es ein einzelner Transistor nicht mehr. Dieses Beispiel sollte lediglich veranschaulichen wie eine Leistungsschaltung möglich ist.
Übrigens:
Power LED’s werden teilweise sehr warm. LED’s bestehen aus Halbleitermaterial was zu hohe Temperaturen meist mit einer kurzen Lebensdauer quittiert. Ab 100°C können bereits Veränderungen ihrer Kennlinien auftreten und ihre Funktion ist nicht mehr gewährleistet. Dieses Verhalten ist nicht nur bei LED’s festzustellen. Egal ob Transistoren, Dioden, IC’s oder Prozessoren in Rechnern, alle bestehen aus Halbleitermaterial.
Bei LED’s wird dies meist mit einem Helligkeitsverlust angekündigt. Steigt die Temperatur weiter tritt die Zerstörung ein. Bei 160°C dürfte endgültig die Zerstörung der LED eintreten. Daher sollten Power-LED’s die länger in Betrieb sind grundsätzlich gekühlt werden. I.d.R. sollten sie auf einem Kühlkörper montiert sein.
