LED-Matrix für Raumfahrtprojekt

Schaltungen, Widerstände, Spannung, Strom, ...

Moderator: T.Hoffmann

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sinom
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Mo, 26.03.18, 11:53

Hallo Leute!

Für ein Raumfahrtprojekt beobachten wir Objekte mit mehreren Kameras, hierzu sollen diese Objekte von hinten mit einer gleichmäßigen Beleuchtung angestrahlt werden. Da man in der Schwerelosigkeit keine guten Möglichkeiten zur Wärmeabfuhr hat, plane ich 100 Stück 0805 SMD-LEDs mit geringem Strom zu verwenden (auf einer Fläche von 10cm x 10cm). Um die LEDs zu dimmen, dachten wir uns, dass wir die PWM vom Mikrocontroller verwenden. Uns stehen 3,3V und 5V zur Verfügung.

SMD-LEDs: https://www.conrad.de/de/smd-led-2012-g ... 25124.html
2,1V; 20mA

Wenn ich die 100 LEDs anschließen möchte, ist eine Reihenschaltung unmöglich (aufgrund der begrenzten Spannung).
Eine Überlegung war eine Parallelschaltung von allen LEDs und vor jeder LED ein passender SMD-Widerstand. Dann könnte ich den Strom durch die Widerstände begrenzen. Eine andere Überlegung ist die Verwendung einer Konstantstromquelle, die dann entsprechend ausgelegt werden muss, dass ein konstanter Strom von 2A in die Parallelschaltung der LEDs fließt.

Was ist passender? Und wenn die Konstantstromquelle: welche Variante ist für "Anfänger" und für die Anforderungen (entsprechend hohe Stromstärke, 2.1V) empfehlenswert?
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LED100.jpg
Borax
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Mo, 26.03.18, 13:35

Hallo sinom,
welcome on board!
Eine Überlegung war eine Parallelschaltung von allen LEDs und vor jeder LED ein passender SMD-Widerstand.
Normalerweise (bei halbwegs konstanter Umgebungstemperatur) ist das die richtige Überlegung. Noch ein paar Anmerkungen / Fragen:
Für ein Raumfahrtprojekt...
Mit welchen Temperaturen ist da zu rechnen? Im Vakuum oder bei 'Normaldruck'?
Da man in der Schwerelosigkeit keine guten Möglichkeiten zur Wärmeabfuhr hat
Das eine hat mit dem anderen eigentlich nichts zu tun. Daher auch die Frage nach Vakuum oder bei 'Normaldruck'.
Problem bei sehr unterschiedlichen Umgebungstemperaturen ist auch, dass sich dabei die Flussspannung der LEDs ändert.
Die verlinkte SMD LED ist gelb. Ist das Absicht? Falls nicht, es gibt hier im Shop hocheffiziente weiße SMD LEDs die (fast) keine Wärme erzeugen. Z.B.: https://www.leds.de/nichia-nfsl757gt-v1 ... 50-12.html Bei Betrieb mit etwa 20mA erreichst Du damit fast 200 lm/W
dachten wir uns, dass wir die PWM vom Mikrocontroller verwenden.
Das ist ok. Aber es muss noch ein Transistor (am besten ein geeigneter Mosfet) nachgeschaltet werden. Der µC kann keine 100 LEDs treiben. Geeignet (schaltet mit 3.3V schon voll durch) wäre z.B. ein IRLML 6246: https://www.reichelt.de/IRL-IRFZ-Transi ... CLE=132146
mit mehreren Kameras
Dann Vorsicht mit PWM. In dem Fall muss entweder die PWM Frequenz recht groß sein (je nach Belichtungszeit), oder doch besser über den Strom dimmen.
Uns stehen 3,3V und 5V zur Verfügung.
Dann die 3.3V verwenden. Bei 5V müsste viel mehr Spannung am Vorwiderstand verbraten werden. Oder je 2 LEDs in Reihe (bei den gelben wären das 4.2V) mit passendem Widerstand an 5V.

Ganz andere Idee: Fertige Matrix (z.B.: https://www.leds.de/led-matrix-warmweis ... 52825.html ) verwenden und einen Step-Up Wandler der aus den 5V 12V macht (oder auch Konstantstrom passender Stärke).
sinom
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Mo, 26.03.18, 16:23

Danke Borax :)

Das mit den Temperaturen und dem Druck weiß ich nicht 100 prozentig, werde ich aber morgen alles genauer erfahren.

Zu der LED: Die Farbe ist letztendlich nicht wichtig, da nur Kontraste/schwarz-weiß erkannt werden sollen. Die LED die du verlinkt hast hat laut Datenblatt einen wesentlich höheren Strom und eine höhere Wirkleistung im Nennbetrieb (bzw. bei den 65mA). Das erscheint mir ziemlich viel, wenn man 100 davon verwendet.

Zu dem Transistor/PWM: PWM scheint dann wirklich nicht die beste Wahl zu sein.. Flackern der LEDs.

Zu der Matrix von led.de : Die war tatsächlich schonmal geplant, wollten dann jedoch lieber etwas eigenes designen. Für Lernzwecke und die Flexibilität ist was eigenes dann natürlich unschlagbar. :D


Was für eine Schaltung würdest du empfehlen um Strom zu dimmen und ausreichend Strom für die LEDs zur Verfügung zu haben? Gibt ja zahlreiche Ausführungen von Konstantstromquellen.. Und lieber eine IC-Konstantstromquelle oder selbst zusammenbasteln?
Hast mir auf jeden Fall schon sehr geholfen. Danke dafür!
ustoni
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Mo, 26.03.18, 16:52

"Da man in der Schwerelosigkeit keine guten Möglichkeiten zur Wärmeabfuhr hat"

Das eine hat mit dem anderen eigentlich nichts zu tun.
Doch, hat es. Wärmeleistung wird von einer Kühlfläche durch Wärmestrahlung und durch Konvektion an die Umgebung abgegeben. Speziell bei Kühlkörpern (mit Kühlrippen) überwiegt hier unten auf der Erde die Abgabe durch Konvektion.
Für die Konvektion ist jedoch Gravitation erforderlich. Dieser Anteil der Wärmeableitung entfällt folglich bei Schwerelosigkeit.
oscar
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Di, 27.03.18, 08:48

ustoni hat geschrieben:Für die Konvektion ist jedoch Gravitation erforderlich. Dieser Anteil der Wärmeableitung entfällt folglich bei Schwerelosigkeit.
Für Konvektion ist keine Gravitation erforderlich. Lüfter können sie erzwingen. Wikipedia schreibt von freier/natürlicher Konvektion, die auf Gravitation beruht.
ustoni
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Di, 27.03.18, 12:52

Für Konvektion ist keine Gravitation erforderlich. Lüfter können sie erzwingen.


Vielen Dank für die Belehrung. Da wäre ich im Leben niemals selbst drauf gekommen. :lol:
Was man mit einem Lüfter doch so alles machen kann! :lol:
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Achim H
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Di, 27.03.18, 14:11

sinom hat geschrieben:Für ein Raumfahrtprojekt beobachten wir Objekte mit mehreren Kameras, hierzu sollen diese Objekte von hinten mit einer gleichmäßigen Beleuchtung angestrahlt werden.

Wie soll man das verstehen?
Fliegt jemand mit einem Shuttle raus und montiert die Beleuchtung hinter einem Asteroiden oder einem Stück Weltraumschrott oder wie sollen die Objekte von hinten angestrahlt werden?

Und damit hätte sich auch die Frage nach einem Lüfter erledigt.
Im luftleeren Raum würde sich der Lüfter zwar drehen, aber keine Kühlung herstellen können, weil das Medium Luft fehlt.
sinom
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Di, 27.03.18, 16:50

In der Rakete ist nahezu Vakuum, da sie nur bis zu 80km Höhe fliegt, dort eine Weile "gleitet" (Mikrogravitation). Dort wird unser Projekt beobachtet. Für mehr Informationen zu dem Prinzip kann man gerne REXUS/BEXUS vm DLR ansehen.
Die LED-Matrix soll die Elemente zur Beobachtung innerhalb der Rakete von "hinten" beleuchten. Dafür benötigen wir die Beleuchtung.

Stand bisher: Verwendung der 12V-Systemspannung mit fünf 0805- SMD-LEDs mit UF=2V und IF=20mA. Und diese Reihenschaltung 20 mal parallel, mit jeweils einem passenden Vorwiderstand zur Strombegrenzung auf 20mA, an dem dann die restlichen 2V abfallen. Somit haben wir 100LEDs, mit Iges=20*IF=400mA.
dieterr
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Di, 27.03.18, 17:13

sinom hat geschrieben: Stand bisher: Verwendung der 12V-Systemspannung mit fünf 0805- SMD-LEDs mit UF=2V und IF=20mA. Und diese Reihenschaltung 20 mal parallel, mit jeweils einem passenden Vorwiderstand zur Strombegrenzung auf 20mA, an dem dann die restlichen 2V abfallen. Somit haben wir 100LEDs, mit Iges=20*IF=400mA.
Warum? Was spricht für diese LEDs und gegen hocheffiziente weiße wie von Borax vorgeschlagen?
Wieviel Licht benötigt das Experiment denn überhaupt?
Ist ein Diffusor vorgesehen? LEDs die von hinten am Objekt vorbei leuchten direkt in die Kamera leuchten, könnten dort zu "leichtem" überstrahlen führen.
sinom
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Di, 27.03.18, 19:37

dieterr hat geschrieben: Warum? Was spricht für diese LEDs und gegen hocheffiziente weiße wie von Borax vorgeschlagen?
Dazu eine Unklarheit: Wenn ich den Strom auf beispielsweise 10mA -> UF=2,65V reduzieren würde, hätte ich eine Leistung von P=0,0265W * 169lm/W erhalte ich somit einen Lichtstrom von 4,4785lm pro LED. Stimmt die Rechnung so oder muss ich das genau an der Kennlinie ablesen?
Die anderen LEDs von conrad haben alle Angaben in Lichtstärke [mcd]. http://www.produktinfo.conrad.com/daten ... 2012EC.pdf
Diese LED hat beispielsweise 12mcd bei einem "viewing angle" von 120°. Welchen Winkel setze ich dann in die Berechnung ein? I=0,012cd * 60°=0,72lm?
Oder besser: Um welchen Faktor ist die LED von Borax heller bei gleichem Strom (oder bei gleicher Wirkleistung), als die von mir verlinkte?

dieterr hat geschrieben: Wieviel Licht benötigt das Experiment denn überhaupt?
Sind wir noch am überlegen. Ist recht schwer einzuschätzen. In der Rakete ist es dunkel, werden es wohl vorher mit einem Prototypen testen müssen.
dieterr hat geschrieben: Ist ein Diffusor vorgesehen? LEDs die von hinten am Objekt vorbei leuchten direkt in die Kamera leuchten, könnten dort zu "leichtem" überstrahlen führen.
Diffusor wird auf jeden Fall benötigt und ist auch fest vorgesehen. Nur haben wir davon auch noch keinen genauen Entwurf. (Vielleicht Plexiglas)
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Achim H
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Dazu eine Unklarheit: Wenn ich den Strom auf beispielsweise 10mA -> UF=2,65V reduzieren würde, hätte ich eine Leistung von P=0,0265W * 169lm/W erhalte ich somit einen Lichtstrom von 4,4785lm pro LED. Stimmt die Rechnung so oder muss ich das genau an der Kennlinie ablesen?

Ist nicht so ganz richtig. Leds werden effizienter, wenn diese mit einem kleineren Strom betrieben werden. Allerdings kann man diese Rechnung nicht unendlich (bis Null) durchführen. Irgendwo gibt es einen Knickpunkt, wo die Led nicht mehr effizienter werden kann und wieder weniger effizient wird. Wo sich dieser Punkt genau befindet, kann man aus einem Datenblatt nicht ablesen.

Bei einem doppelt so hohen Strom ist der Output nicht doppelt so hoch, sondern nur ungefähr 1,75-fach.
Bei einem halb so hohen Strom ist der Output folglich auch nicht halb so hoch, sondern ungefähr 0,57-fach.

Aus 32 Lumen @ 65mA würden ungefähr 18,24 Lumen @ 32,5mA werden

Wie hoch die Vorwärtsspannung der Led bei 32,5mA ist, muss man aus dem Graphen ablesen (nicht sehr einfach, da der Graph sehr klein und ungenau ist).
Spannung und Strom sind nicht linear. Abgelesen habe ich ca. 2,7V
Bei einem Strom von 32,5mA [0,0325A] wäre die Leistung entsprechend 2,7V x 0,0325A = 0,08775W.
Effizienz: 18,24lm / 0,08775W = 207,86 --> aufgerundet 208lm/W.

Bei 10mA kann die Effizienz noch etwas höher lieger. Möglich wäre aber auch, dass der Knickpunkt schon überschritten wurde.
Wenn Du für die Rechnung ungefähr 220lm/W ansetzen würdest, käme das ungefähr hin.
Wenn es noch etwas mehr sein sollte, ist das ja nicht schlimm. Bei einer so geringen Leistung würde sich der Wert nur um ein paar Nachkommstellen ändern (weniger als 1 Lumen).

Der Output mit der von Dir ausgerechneten Leistung müsste (Pi mal Daumen)
0,0265W x 220lm/W = 5,83 Lumen betragen.
Diese LED hat beispielsweise 12mcd bei einem "viewing angle" von 120°. Welchen Winkel setze ich dann in die Berechnung ein? I=0,012cd * 60°=0,72lm?

Hier im Shop gibt es ein Umrechnungswerkzeug: Candela-Lumen Rechner
Allerdings kann der Rechner keine so kleinen Werte berechnen bzw. darstellen.

Über Google habe ich einen ähnlichen Rechner gefunden: Rapidtables: Millicandela to lumens calculator
12mcd sind 0,037699... gerundet 0,038 Lumen.

Die von Borax empfohlene Led würde demnach ca. 153 mal so viel Licht liefern.

Das hört sich unheimlich viel an, könnte aber hinkommen.
Das Datenblatt der 12mcd Led ist aus dem Jahr 2005, also rund 13 Jahre alt.
dieterr
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Mi, 28.03.18, 07:04

sinom hat geschrieben: Oder besser: Um welchen Faktor ist die LED von Borax heller bei gleichem Strom (oder bei gleicher Wirkleistung), als die von mir verlinkte?
Ich denke mal, die Abschätzung von Achim passt so in etwa, ob Faktor 50, 100 oder 500 sollte nicht die Rolle spielen. Die (alten) Farbleds sind einfach im Gegensatz zu modernen Weißen trübe Funzeln.

Genau zu berechnen ist das aber nur mit größerem Aufwand (und bringt imho keinen Mehrwert) weil:
- was hat deine Kamera für eine spektrale Empfindlichkeit? Lumen gelten nur für Empfindlichkeit des menschlichen Auges beim Farbsehen.
- die Conrad LED ist monochromatisch mit 585nm, die Nichia weiß mit entsprechenden Spektralverlauf
sinom
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Mi, 28.03.18, 13:16

Die spektrale Empfindlichkeit der Kamera weiß ich gerade nicht, damit beschäftigen sich andere aus meinem Team.

Aber eure Vorteile der LED von Borax ergeben natürlich Sinn. Eine alte LED ist nicht so effektiv wie neuere.

Dann mein neuer Ansatz:
12V Systemspannung, Betrieb von 100 LEDs (25 Stränge mit je Strang 4 LEDs in Reihe mit jeweils einem Vorwiderstand).
Da ich unter 5W bleiben muss, würde ich für die Berechnung mit dem Vorwiderstand einen Strom von 15mA durch die LEDs festlegen.
Nach der Kennlinie aus dem Datenblatt würden demnach ganz ungefähr 2,65V an jeder LED abfallen.
Also:
P=0,03975W/LED * 100LED = 3,975W.
An jedem Widerstand liegen 1,4V an, mit 15mA ergibt sich ein Vorwiderstand von 93,3 Ohm. Wirkleistung pro Widerstand
P=0,021W * 25 = 0,525W.
Gesamte Wirkleistung somit 4,5W < 5W.

Stimmt das soweit?

Weitere Fragen:
1. Die Kennlinie hört bei 10mA auf, bedeutet das, dass die LED unter 10mA nicht leitet? Oder wurde einfach etwas "abgeschnitten"?
2. Wie lassen sich so welche LEDs von Hand löten? Sehe da keine Löt-Kontakte und das ist ja auch keine "richtige" SMD-Größe wie 0805 etc.
Borax
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Mi, 28.03.18, 13:44

Stimmt das soweit?
Ja. Wegen Regelung/Dimmung: Bei der (relativ) geringen Leistung könntest Du wahrscheinlich mit PWM dimmen und das 'Flackern' mit einem einfachen Kondensator auf ein erträgliches Niveau reduzieren (wichtig wäre hier wie schnell Änderungen in der Helligkeit erfolgen müssen - mit Kondensator geht das nur recht langsam). Oder (besser) eine Stromregelung verwenden. Hierzu könntest Du eine Variante der OP-KSQ (siehe: viewtopic.php?p=73694#p73694 - nicht erschrecken - wäre bei Dir viel einfacher) verwenden. Hängt auch vom µC ab (hat der z.B. einen DA Wandler?). Ob das nötig ist, (oder eine halbwegs hochfrequente PWM alleine reicht) hängt aber auch von der Kamera (bzw. den geplanten Belichtungszeiten) ab.
Zu den weiteren Fragen:
1. Nein. Die leitet (und leuchtet) immer, so lange die minimale Spannung (ca. 2.5V) nicht unterschritten wird. Also auch mit wenigen µA. Der Bereich wurde im Datenblatt nur abgeschnitten.
2. Von Hand löten ist in der Tat nicht ganz so einfach. Aber durchaus möglich. Am besten mit 2 Lötkolben. So ähnlich wie hier:
viewtopic.php?p=184100#p184100 und/oder viewtopic.php?f=31&t=14712
(Geht auch bei einer Platine)
sinom
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Mi, 28.03.18, 17:26

Ja perfekt. Dann danke euch für die viele Hilfe!
Werde das nach Ostern mit meinen Teammitgliedern mal besprechen.

Schöne Ostern wünsch ich euch
Ooooops
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Do, 29.03.18, 08:37

Hallo sinom,

Hier die Werte der LED (NFSL757GT-V1 2700K) für 10 bis 50 mA:
NFSL757GT-V1_2700K.PNG
NFSL757GT-V1_2700K.PNG (21.09 KiB) 2908 mal betrachtet
Gruß Ooooops
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Achim H
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Do, 29.03.18, 11:06

IFP = Pulse Forward Current. Wäre IF nicht sinnvoller gewesen?

Schade, dass die Werte in der Tabelle nicht bis zum typischen Strom (65mA) reichen.
Wie es ausschaut (Werte im Kopf hochgerechnet), ist der Output @ 65mA irgendwo zwischen min. und typ.: 25,5 - 31,6 lm.
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