LEDs fetz - Randnotizen

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An dieser Stelle lassen wir’s ab und zu richtig fetzen - mit und ohne LEDs!

Der kurze Weg zu den Fetzen geht hier entlang:


Ferrit-Fetzen (20.2.2004)

Dass man integrierte CMOS-Schaltkreise wegen möglichen ESD-Schäden möglichst sorgsam behandelt, hat sich inzwischen bestimmt herumgesprochen.

Sorgsames Behandeln gilt allerdings auch für eine ganze Reihe mechanischer Bauteile. Zerbrechliche Ferritkerne gehören in diesem Zusammenhang gleich an erster Stelle genannt.

Damit nicht anderen Spulen-Ethusiasten dasselbe Missgeschick auch passiert, hier ein (mechanischer[1]) Ferrit-Grundsatz:

    Lasse einen Ferritkern nicht auf einen harten Boden fallen, sonst könnte es ihm schnell das Genick brechen!

Ferrit-Kern_defekt


Schade um die schöne Spule - diese Fetzen hätten nicht unbedingt fliegen müssen!

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Power to the People (30.4.2007)

Damit es an dieser Stelle auch mal wieder fetzt, ein Bild, das ich unlängst am Strand von Santa Cruz/Kalifornien gemacht habe.

Power to the People


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LED-Stirnleuchte (13.9.2008)

Diese LED-Stirnleuchte gab es (wahlweise mit schwarzem oder silberfarbenem Lampengehäuse) diese Woche beim Süd-Discounter.

LED-Stirnleuchte_Front


Und natürlich hat es mich gereizt, sie von innen zu beleuchten.

Außen hui

Das schaut von außen zunächst alles ganz gut aus, wobei ich den Praxistest erst später machen möchte, denn mich interessiert verständlicherweise erst einmal das Innenleben der LED-Leuchte.

Zum Öffnen löst man das Lampengehäuse mit den beiden Deckelschrauben (innen liegend direkt an den beiden Stirnbandschleifen) vom Rahmen.

Dann löst man die beiden nun sichtbaren inneren Schrauben und noch zwei weitere, die durch den Warnaufkleber verdeckt sind.

LED-Stirnleuchte_innen


Jetzt hat man schon alle Innereien vor sich und es fällt auf:

  • Die 1W-LED (laut Verpackung) ist ein No-Name-Produkt mit Star-Kühlkörper (lose eingelegt).
  • Das rote von der Batteriebox kommende Kabel geht etwas unkonventionell an die Kathode (!) der LED.
  • Außer der LED, dem Druckschalter und der LED-Optik (Linse) nebst Halterung gibt es im Lampengehäuse sonst wenig zu finden,
  • weder einen LED-Treiber (das wäre vielleicht zu viel verlangt),
  • noch einen LED-Vorwiderstand ...

Die schmale Abdeckung innerhalb der Batteriebox ist auch schnell entfernt.

Vielleicht ist dort noch etwas Wichtiges versteckt (obwohl der Schalter ja im Lampengehäuse ist)?

LED-Stirnleuchte_Batteriebox


Und hier fällt auf:

  • Eine Schottky-Diode 1N5819.
  • Das schwarze Kabel liegt am Pluspol der Batterie - immerhin!
  • Das rote Kabel liegt über die Diode zwangsläufig am Minuspol.
  • Auch hier ist kein LED-Vorwiderstand zu finden ...

Dank Schottky-Diode richten verkehrt eingelegte Batterien schon mal keinen Schaden an (verpolte 4,5V würde die LED dennoch wegstecken, falls von guter Qualität) - aber vielleicht anderweitig?

Die Schottky-Diode hat eher einen anderen Grund, denn offensichtlich dient sie - neben dem Innenwiderstand der Batterien - als nichtlinearer LED-Vorwiderstand, an dem bei vollen Batterien ca. 0,4W verbraten werden.

Innen pfui

Nach Entdecken dieser Tatsachen ist mir schon leicht der Kamm geschwollen, aber beim Nachmessen des LED-Stroms war ich dann völlig platt:

    Die mitgelieferten Qualitätsbatterien[2] befeuern die 1W-LED schonungslos mit 730mA!![3].

Die Batteriespannung fällt dabei von 4,63V im Leerlauf auf 3,93V, woraus man den Innenwiderstand des Batteriesatzes auf ca. 1 Ohm abschätzen kann (also ca. 1/3 Ohm pro Batterie).

Der LED-Kühlkörper wird bei dieser Tortur schon nach kurzer Zeit reichlich heiß ...

Die LED-Spannung beträgt trotz diesem hohen LED-Strom erstaunlich niedrige 3,31V.

    Dennoch ergibt sich bei einem neuen Batteriesatz ca. 2,3W LED-Leistung, die irgendwie abgeführt werden will!

Einen kühlen Kopf zu bewahren, scheint bei einer solchen Stirnheizung eher schwer zu fallen.

Und mit der auf der Verpackung erwähnten "Langlebigkeit" wird es unter diesen widrigen Umständen (und vor allem, falls es sich wirklich um eine 1W-LED handelt) vermutlich doch nicht so weit her sein.

Aber wozu hat man 3 Jahre Garantie? Sofern man den Kassenzettel und die Verpackung solange aufbewahrt ...

"Ultrahelles Licht"

In dieser Hinsicht ist diese Verpackungsangabe "dank" Hochstrombefeuerung korrekt - zumindest für eine gewisse Zeit.

Den Warnhinweis "LED-Strahlung - nicht in den Strahl blicken" sollte man deshalb dringend ernst nehmen - und auch die Batterien möglichst nicht verschlucken (ein weiterer Warnhinweis).

Helligkeits-, Leuchtweite- und Leuchtdauer-Messungen will ich mir aufsparen, bis ich einen vernünftigen LED-Treiber eingebaut habe.

Hier ist er (die Messungen stehen aber noch aus)! (1.1.2013)

Nun ist meine LED-Welt wieder in Ordnung: Die Stirn wird nicht mehr heiß, die Batterien halten deutlich länger und die LED kann nun wirklich lange leben - wie ursprünglich auf der Verpackung versprochen ...

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2W-LED-Faden-Lampe zerlegt (16.3.2015)

LED-Faden-Lampen, wegen der Optik meist Retrofit-Lampen oder auch LED-Wendel-Lampen genannt, gibt es schon seit mehr als einem Jahr.

Nun, eine Wendel gibt es hier sicher nicht und die "Fäden" sind momentan eher noch Seile. In Anlehnung an die Glühfäden der Glühlampen werden die in diesen LED-Lampen verwendeten LED-Anordnungen auf Englisch als "LED Filaments" bezeichnet.

Jüngst wurden solche LED-Faden-Lampen für Netzspannung mit verschiedenen Leistungen und Formen in den gängigen Sockeln E14 und E27 vom Fabrikat "Müller Licht" relativ günstig angeboten, so dass sich ein Zerlegen derselben finanziell verschmerzen lässt.

Zunächst sollte eine 230V/2W-Ausführung mit E14-Sockel meiner Neugierde zum Opfer fallen. Auffallend war die Angabe 2W/19mA, sowohl auf der Verpackung als auch oben auf dem Glaskolben der Lampe vermerkt.

Das scheint auf den ersten Blick nicht zusammen zu passen, aber dazu später mehr.

Entsockelt

Als erstes muss man mit irgend einer Methode den Sockel zerlegen, um an die Innereien zu kommen.

Bewährt hat sich das Anknabbern des sehr dünnen Sockelblechs mit einem Seitenschneider. Ein "Angriff" von der Glaskolbenseite her ginge zwar auch, allerdings kann man die Lampe dann nicht mehr so gut festhalten und die Verletzungsgefahr wäre auch größer.

Bei meinem Muster war der Ansatzpunkt ein kleines unerfindliches Loch seitlich im E14-Sockel (der rote Kondensator diente zum Unterlegen, damit die LED-Lampe nicht wegrollt und so das Loch sichtbar bleibt; er wird später für einen anderen Zweck noch einmal auftauchen):

2W LED-Lampe E14, Loch im Sockel


Nach wenigen Minuten war das Blech vorsichtig spiralförmig abgewickelt:

2W LED-Lampe, Sockel entfernt


Man sieht jetzt einen Widerstand in einem Schrumpfschlauch, der an den einen Anschluss mit Glasisolation unten an der Sockelspitze geht. Den anderen zweiten Anschluss sieht man noch als Lötpunkt außen oben am Sockel (wie bei E14/E27-Sockeln generell üblich).

Nach weiterem Seitenschneiderknabbern (Kitt, Schrumpfschläuche und restlicher Sockel entfernt) war schließlich die Elektronik freigelegt:

2W LED-Lampe, Elektronik freigelegt


Der ziemlich spröde Kitt (war teilweise auch auf der Platine) ließ sich übrigens relativ leicht entfernen. Er hat mich von Geruch und Farbe an Pertinax erinnert. Der Glaskolben ist hier noch vollständig intakt.

Auf der kleinen zweilagigen (!) Platine befinden sich außer dem zur Sockelspitze führenden 47-Ohm-Widerstand[4] (rechts oben) nur ein Brückengleichrichter MB6S (unten), ein Keramikkondensator C2 (rechts) und ein 200-kOhm-Widerstand R2 (links).

Kondensator C1 (oben) und Widerstand R1 (auf der Rückseite) sind nicht bestückt (beide wären sonst parallel zu C2).

Über diverse Sicherheitsabstände auf der kleinen Platine (ca. 14mm Durchmesser) kann man wahrhaftig streiten ...

Und so schaut das minimalistische Schaltbild des im E14-Sockel integrierten "LED-Vorschaltgeräts" aus:

2W-LED-Fadenlampe E14


Da die beiden Anschlüsse von C2 nirgends einen geschlossenen Stromkreis bilden, lässt sich die Kapazität von C2 direkt messen.
Es ergaben sich 347nF (gemessen mit UT61C) bzw. 345nF (gemessen mit BM525).

Offensichtlich ist C2 ein 330nF-Kondensator (Baugröße 1812) - hoffentlich mit ausreichend Spannungs- und Pulsfestigkeit ...

Farbeindrücke

Nun waren noch einige äußerlichen Untersuchungen am Testobjekt nötig, und zwar zunächst einmal zum Vergleich die Farbeindrücke mit einer Uralt-25W-Glühlampe:

roter Kondensator auf weißem Papier, 25W-Glühlampe


Hier gibt es nichts zu meckern - außer dass die Glühlampen irgendwann per Gesetz vollends zu Grabe getragen werden ...

Mit der 2W-LED-Lampe beleuchtet (laut Kennzeichnung 2700K Farbtemperatur und warmweißer Farbton), schaut die Aufnahme so aus (beide Aufnahmen jeweils bei 230V Netzspannung):

roter Kondensator auf weißem Papier, 2W-LED-Lampe


Auffallend sind die horizontalen Streifen beim Digitalfoto, die offensichtlich durch das Flimmern des mit 100Hz pulsierenden LED-Lichtes und das zeilenweise Abtasten des Bildsensors bedingt sind.

Interessanterweise sind die Flimmerstreifen beim Fixieren des Objekts mit einem iPhone 4s zunächst deutlich kräftiger, werden aber nach einigen Sekunden durch die Belichtungsautomatik des iPhone stark reduziert. Bei direkter Betrachtung kann ich kein Flimmern beobachten. Weiter unten ist eine Flimmer-Messung nachgereicht.

Der rote Farbton (ist bei LED-Beleuchtung mit weißen LEDs immer heikel, deshalb der rote Kondensator als Fotomodell) ist im Vergleich zur Glühlampe nur geringfügig blasser.

Der weiße Untergrund (hier ein Blatt Kopierpapier) ist bis auf die Streifen auf dem Digitalfoto (nur dort) erstaunlich gut wiedergegeben.

Ein Versuch, die elektrischen Werte zu messen

Die Stromaufnahme der LED-Lampe habe ich per Stelltrafo für 230V±10% Netzspannung mangels eines RMS-Ampere-Meters zunächst mit einem Drehspulinstrument[5] wie folgt gemessen:

Netzspannung

Stromaufnahme

207V~

9mA~

230V~

10mA~

253V~

11mA~


Demnach würde sich rein rechnerisch bei einer Nennspannung von 230V~ eine "Leistung" (welche auch immer) von 2,3W ergeben - das scheint nicht wirklich zu den Lampenangaben zu passen.

Deshalb habe ich das Ganze auch mit einem älteren "PowerMonitor Pro" nachgemessen:

Netzspannung:

238V~

Stromaufnahme:

15mA~

Wirkleistung:

1,4W

Scheinleistung:

3,5VA

Leistungsfaktor:

0,4


Auch wenn die Werte beim "PowerMonitor Pro" untereinander sehr gut zusammen passen (da vom Messgerät zumindest korrekt berechnet), tauchen auch hier weder die für die LED-Lampe angegebenen 2W noch die 19mA auf.

Das kann aber durchaus auch an der Genauigkeit des "PowerMonitor Pro" bei diesen kleinen Messwerten liegen. Über die Messmethode des "PowerMonitor Pro" liegen mir keine Angaben vor.

Nun, die Ursache der großen Abweichung von den Lampen-Angaben ist sehr wahrscheinlich die Tatsache, dass zwar die Netzspannung sinusförmig ist (darauf basieren wohl die Anzeigewerte der verwendeten Messgeräte), der Strom und die daraus abgeleitete Leistung aber aufgrund des tatsächlichen nichtlinearen Verhaltens des LED-Treibers auf keinen Fall.

RMS-Messungen an der 2W-LED-Faden-Lampe (23.6.2015)

Da die erste LED-Faden-Lampe aufgrund meiner Untersuchungen völlig zerlegt ist, habe ich mir eine neue gekauft und nun mit einem TRMS-DMM[6] im Warmzustand vermessen (im Kaltzustand ist der Strom geringfügig höher).

Das Messergebnis schaut nun so aus (neues Lampenexemplar):

Netzspannung

Stromaufnahme

207V~

17,7mA TRMS

230V~

19,3mA TRMS

253V~

20,7mA TRMS


Kaum hat man die richtige Messmethode, schon ist zumindest die Elektronikwelt wieder in Ordnung, auch wenn die 19mA-Stromangabe (nun bei Nennspannung bestätigt) auf Verpackung und Lampe den Otto-Normalverbraucher wirklich mehr irritiert als informiert - falls dieser über die angegebene Stromaufnahme überhaupt nachdenkt ...

Diese Stromangabe hat m.E. nicht wirklich einen praktischen Nutzen, außer dass man die Scheinleistung damit berechnen kann und daraus den Leistungsfaktor, sofern man der 2W-Leistungsangabe Glauben schenkt.

Man könnte auch mutmaßen, dass ein überfleißiger Mitarbeiter u.a. die Stromaufnahme der 2W-LED-Lampen gemessen hat (immerhin mit einem TRMS-DMM) und einen gerundeten Mittelwert in die Spezifikation aufgenommen hat, ohne darüber nachzudenken, was dieser Strom tatsächlich bedeutet.

Flimmer-Messung (23.6.2015)

Hier ergänzend noch eine interessante Grafik bezüglich des mit dem bloßen Auge nicht sichtbaren 100Hz-Flimmerns der 2W-LED-Fadenlampe, das ich per Flicker Tester von Viso Systems mit einem iPhone 4s aufgenommen habe:

Flimmer-Messung an einer 2W-LED-Faden-Lampe


Diese Flimmer-Messung zeigt, dass trotz Brückengleichrichter die halbe Zeit kein Licht erzeugt wird. Das liegt einfach an der LED-Gesamtflussspannung des LED-Fadens, die bei jeder Halbschwingung erreicht werden muss, bis ein LED-Strom zu fließen beginnt.

Simulation bringt Licht (16.3.2015)

Mehr Licht ins Dunkel der Messergebnisse bringt aber auch eine Simulation der obigen Schaltung per LTspice.

Hier ist eine 50Hz-Vollschwingung im eingeschwungenen Zustand wiedergegeben:

Simulation Stromaufnahme und Leistung


Im Diagramm ist die Netzspannung grün dargestellt (230Veff).
Der Netzstrom ist rot dargestellt und die daraus berechnete Netzleistung ist blau.

Netzstrom und Netzleistung haben - wie erwartet - mit einem sinusförmigen Verlauf überhaupt nichts mehr zu tun.

Und dass eine Schaltung mit einem solchen elektrischen Verhalten und einer so niedrigen Stromaufnahme nicht per üblichen Netzdimmern gedimmt werden kann, versteht sich von selbst.
Diese Tatsache ist immerhin per Symbol auf der Verpackung erwähnt.

Die per Simulation berechneten Zahlenwerte sind wie folgt:

Netzspannung (Sinus, vorgegeben):

230Veff

Stromaufnahme (RMS):

17,8mA

Wirkleistung (Average = arithmetisches Mittel):

1,96W

Scheinleistung (mit dem RMS-Strom berechnet):

4,09VA

Leistungsfaktor = Wirkleistung/Scheinleistung:

0,48


Und nun tauchen - eben bei korrekter Betrachtungsweise - wenigstens näherungsweise die angegebenen elektrischen Werte der LED-Lampe auf, nämlich die spezifizierten 19mA und 2W.

Bei der auf der LED-Lampe angegebenen maximalen Nennspannung von 240V~ wären die Simulationswerte 19mA bzw. 2,1W.

Der zeitliche Verlauf des LED-Faden-Stroms ist einfach der per Brückengleichrichter gleichgerichtete Verlauf des Netzstroms, d.h. im obigen Diagramm ist der negative Anteil nach oben geklappt.

Der simulierte quadratische Mittelwert (RMS) des LED-Faden-Stroms beträgt bei 230V Netzspannung 17mA (bedingt durch den 200-kOhm-Parallelwiderstand etwas weniger als der RMS-Netzstrom) und dessen arithmetischer Mittelwert ist laut Simulation 11mA.

Diese simulierten 11mA mittlerer LED-Faden-Strom sollten ungefähr dem eingangs mit dem Drehspulinstrument[5] gemessenen Netzstrom von 10mA entsprechen, der ebenfalls ein arithmetischer Mittelwert ist. Nur der mittlere Strom von ca. 0,65mA durch die parallel geschalteten 200kOhm geht noch vom Netzstrom ab, um den mittleren LED-Faden-Strom zu erhalten, der schließlich das LED-Licht erzeugt.

Die simulierte LED-Leistung ist 1,84W. Die Differenz von 120mW wird im Brückengleichrichter und in den beiden Widerständen verbraten. Aus den Simulationswerten berechnet sich der elektrische Wirkungsgrad dieser einfachen LED-Faden-Lampe zu ca. 94%.

Die simulierte LED-Faden-Gesamtspannung ist 139V (RMS) bzw. 130V (arithmetisches Mittel; per Drehspulinstrument nachgemessen sind es 128V).

Der Spitzenwert der LED-Gesamtflussspannung beim LED-Spitzenstrom von ca. 35mA ist laut Simulation schließlich 166V, was bei insgesamt 56 in Serie geschalteten LEDs ca. 3V pro LED entspricht.

Die Zahl der LEDs der beiden LED-Fäden kann man an dieser Aufnahme bei 95V~ Netzspannung (per Stelltrafo eingestellt) abzählen, nämlich 2x 28:

2W-LED-Faden-Lampe bei 95V


Das Foto ist nicht besonders scharf, da es durch den noch vorhandenen Glaskolben aufgenommen wurde.

Die einzelnen LED-Chips sind einseitig auf einem Glasträger montiert (und untereinander in Serie verschaltet), der nur chipseitig mit einer satt gelben Leuchtschicht beschichtet ist.

Aufgrund des Glas-Substrates leuchten die LED-Fäden nach beiden Seiten, wobei von einer Seite betrachtet einmal die Rückseite (oberer Faden auf dem Foto) und einmal die Vorderseite mit der Leuchtschicht (unterer Faden auf dem Foto) sichtbar ist, so dass sich die Helligkeitsunterschiede zwischen vorn und hinten beim Rundumlicht insgesamt ausgleichen.

Um an die beiden LED-Fäden zu gelangen, muss man nur noch den Glaskolben zerstören. Ich habe bei einer meiner Zerstöraktion kein Vakuum und keinen Geruch feststellen können. Ich gehe davon aus, dass kein Schutzgas im Glaskolben verwendet wird.

Jetzt fehlen nur noch geeignete LED-Treiber, um die einzelnen LED-Fäden ordentlich zu befeuern ...

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1W-G4-Lampe analysiert (6.10.2016)

Es hat mich mal wieder gereizt, eine LED-Lampe unter die Lupe zu nehmen, nämlich jene, die letzte Woche vom Discounter für 4,99 € pro zwei Stück angeboten wurde:

1W_G4_LED_front


Diesmal geht es also um eine 1W-LED-Lampe für G4-Stecksockel, die z.B. für 10W-Halogenlämpchen üblich sind.

Natürlich kann man heutzutage ein 10W-Halogenlämpchen noch nicht durch eine 1W-LED-Lampe mit gleichem Lichtstrom ersetzen. Aber dieser Zeitpunkt liegt in nicht mehr allzu weiter Ferne.

Achtung bei elektronischen Trafos

Um es gleich vorab zu erwähnen: Für viele elektronische Halogenvorschaltgeräte ("Trafo") ist die untersuchte 1W-LED-Lampe nur dann geeignet, wenn man ausreichend viele dieser LED-Lampen parallel betreibt, so dass die Mindestlast des jeweiligen Vorschaltgeräts erreicht wird.

Ansonsten kann es sein, dass die sechs LEDs nur sehr schwach erglimmen (wenn überhaupt).

Ob viele solcher 1W-LED-Lampen aber beleuchtungstechnisch Sinn machen, wird sich noch herausstellen.

Einfach und sauber gebaut

Die Rückseite schaut übersichtlich und solide aus (das sieht man allerdings nicht in der ungeöffneten Blisterverpackung):

1W_G4_LED_back


Auf der Rückseite erkennt man bereits, dass die gesamte Elektronik zusätzlich zu den LEDs auf der Vorderseite nur aus Schottky-Dioden (4x "K14" = 40V/1A), Widerständen (4x 51 Ohm) und einem Elko (22µF/25V) besteht.

Es gehört nicht viel dazu, zu erraten (und am Platinen-Layout nachzuvollziehen), dass es sich um eine Brückengleichrichterschaltung mit Sieb-Elko handelt, die zwei LED-Stränge à drei LEDs und Vorwiderständen versorgt.

Offensichtlich hat man die Vorwiderstände zur besseren Verteilung der Wärme jeweils auf zwei Stück aufgeteilt, die in Serie geschaltet sind.

Und vermutlich aus Layout-Gründen hat man die Widerstände elektrisch "zwischen" die LEDs und nicht am Anfang oder am Ende der LED-Stränge eingefügt.

Wenn man ganz genau hinschaut, erkennt man direkt an den G4-Pins jeweils ein sehr schmales Leiterbahn-Mäander, das sehr wahrscheinlich als Feinsicherung dienen soll.

Die Anschlussstifte wurden vermutlich von Hand gelötet, wodurch an dieser Stelle noch Flussmittelreste auf der Platine waren (für das Foto bereits etwas "bereinigt").

Elektrische Werte bei 12V Gleichspannung

Damit man immer weiß, was Sache (und was auch bei sonstigen Lampen üblich) ist, hat man die "Specs" gut sichtbar auf die LED-Seite der Platine gedruckt, nämlich z.B. 0,7W/58mA bei 12VDC, was sich durch Messung des Spannungsabfalls UR über die Vorwiderstände und der Spannung UC am Elko einfach bestätigen lässt:

Parameter

Strang 1

Strang 2

UR/V

2,91

2,93

UC/V

11,43

Uled/V

8,52

8,50

Iled/mA

28,53

28,73

Iled_ges/mA

57,26

Pled_ges/mW

487,3

IDC/mA

57,3

PDC/mW

687,6

Wirkungsgrad/%

70,9


Der Versorgungsstrom IDC wurde zur Kontrolle ebenfalls gemessen (sollte aufgrund der Schaltung identisch mit Iled_ges sein).
Die restlichen Werte sind aus den Mess- und Widerstandswerten berechnet.

Auffallend ist, dass die Flussspannung der einzelnen LEDs mit ca. 2,8V relativ niedrig ist. Das deutet darauf hin, dass die LEDs unterhalb des Nennstroms betrieben werden und deshalb bezüglich tatsächlichem LED-Strom noch Reserve besteht.

Nur 0,5W LED-Licht statt 0,7W

Der Wirkungsgrad von 71% bei DC-Betrieb ist natürlich nicht berauschend und so erhält man bei Gleichspannungsversorgung bei Weitem kein 0,7W-LED-Licht sondern nicht einmal ganz ein 0,5W-LED-Licht!

Elektrische Werte bei 12V Wechselspannung (7.10.2016)

Bei Versorgung mit Wechselspannung ist das Messen an der 1W-LED-Lampe nicht mehr ganz so einfach, sondern erfordert wegen einigen nicht sinusförmigen Größen geeignete Messgeräte.

Deshalb wäre das Messverfahren wie bei der DC-Versorgung nicht korrekt, so dass bis auf die Einstellung der 12V~ (per Stelltrafo und DMM) nun alle Messungen und Berechnungen ausschließlich per Digital-Scope durchgeführt wurden.

Erschwerend kommt dazu, dass nicht alle drei LEDs pro Strang direkt nacheinander in Serie verbunden sind, sondern - wie bereits eingangs erwähnt - die Vorwiderstände dazwischen liegen.

Deshalb wurde als Kompromiss nur die Spannung an jeweils zwei LEDs gemessen und per Faktor 1,5 auf drei hochgerechnet.

Der LED-Strom wurde wiederum pro Strang über den Spannungsabfall an den Vorwiderständen bestimmt, aber eben per Scope.

Die Maßstäbe und Einheiten wurden am Scope so eingestellt, dass man die Werte insbesondere für den Strom und die berechnete Leistung direkt ablesen kann.

Hier die Messung der LED-Spannung (gelb), des LED-Stroms (türkis) und der LED-Leistung (rot) eines Stranges, die vom Scope zeitabhängig aus Spannung und Strom per Multiplikation der beiden berechnet wird:

1W_G4_LED_Scope1


Der Mittelwert der LED-Leistung eines Stranges wird unten am Diagramm als Mean-Wert[8] angezeigt.

Und hier noch eingangsseitig die AC-Leistung (rot), die zeitabhängig aus dem AC-Strom[7] (türkis) und der AC-Spannung (gelb) berechnet und auch hier als Mittelwert[8] unten am Diagramm angezeigt wird:

1W_G4_LED_Scope2


Schließlich sind hier einige Messwerte bei 12V-AC-Versorgung für beide LED-Stränge in einer Tabelle zusammengefasst:

Parameter

Strang 1

Strang 2

Uled/V

8,67

8,66

Iled_RMS/mA

35,8

36,5

Iled_mean/mA

26,8

27,4

Pled_mean/mW

245

250

Pled_ges/mW

495

IAC_RMS/mA

93,5

PAC_mean/W

1,01

Wirkungsgrad/%

49,0


Die LED-Spannung wurde sowohl als RMS- als auch als Mean-Wert gemessen. Es besteht so gut wie kein Unterschied zwischen beiden.

Beim LED-Strom dagegen ist ein deutlicher Unterschied zwischen RMS und Mean. Deshalb wurden beide Werte aufgeführt. Für die LED-Helligkeit ist der Mean-Wert maßgebend.

Der LED-Strom-Ripple ist aufgrund der geringen Siebung sehr hoch. Die Siebung hat man mit 22µF offensichtlich so ausgelegt, dass die LED-Leistung bzw. die LED-Helligkeit bei AC-Betrieb ungefähr dieselben sind wie bei DC-Betrieb.

Wie man sieht, darf man für die Bestimmung der LED-Leistung aufgrund der Strom- und Spannungsverläufe nicht einfach einen der beiden Ströme (RMS/mean) mit der LED-Spannung multiplizieren.

Der gemessene AC-Strom und die per Scope berechnete AC-Leistung auf der Versorgungsseite entsprechen der Spezifikation.

Nur 0,5W LED-Licht statt 1W

Der Wirkungsgrad von 49% bei AC-Betrieb ist aber alles andere als gut, obwohl die LED-Leistung (und damit die Helligkeit) nahezu dieselbe ist wie bei 12V=.

Die Scheinleistung berechnet sich der Vollständigkeit halber bei 12V~ aus IAC_RMS zu 1,122 VA, woraus sich ein Leistungsfaktor von ca. 0,90 ergibt.

Im technischen Datenblatt[9] der 1W-LED-Lampe wird ein Leistungsfaktor von 0,84 angegeben, was aber nicht ganz mit den spezifizierten Werten von AC-Strom und AC-Leistung zusammenpasst.

Demnach würde der Leistungsfaktor mit 1W/(0,095mA * 12V) = 0,88 sogar etwas besser ausfallen und auch eher dem durch Messung festgestellten Wert entsprechen.

Effizient?

Dass wir uns irgendwann zwangsläufig von den Glühlampen verabschieden müssen und dann die meisten Beleuchtungen LED-basierend sind, ist wohl inzwischen jedem klar.

Ob man bei einem elektrischen Wirkungsgrad von nicht einmal 50% im AC-Betrieb diese LED-Lampe aber guten Gewissens in die beste Energieeffizienzklasse A++ einordnen darf, könnte man anzweifeln.

Zumindest lässt ein so schlechter elektrischer Wirkungsgrad des gesamten LED-Leuchtmittels den Vorteil der LEDs beträchtlich schrumpfen.

Wahrscheinlich betrifft das alle weißen 12V-LED-Lampen, die aus Kostengründen mit Vorwiderständen arbeiten statt mit einem integrierten getakteten LED-Treiber, der ggf. einen deutlich größeren Wirkungsgrad erlaubt, nicht viel mehr kostet und bei richtiger Schaltungsauslegung auch noch dimmbar ist.

Die oben beschriebene 2W-LED-Faden-Lampe für 230V~ hat dagegen einen elektrischen Wirkungsgrad von stolzen 94%. Da kann man nicht meckern. Dafür ist der Leistungsfaktor aufgrund des kapazitiven Vorwiderstandes reichlich schlecht und dimmbar ist sie auch nicht.

Fazit 1

Die untersuchte G4-LED-Lampe funktioniert zwar einwandfrei und die Messwerte stimmen mit der Spezifikation relativ gut überein, sie kann aber aufgrund der Schaltung/Bestückung und der damit verbundenen geringeren Lichtausbeute nur bedingt für allgemeine Beleuchtungszwecke eingesetzt werden, bestenfalls zur Beleuchtung von kleinen Objekten.

Somit muss man bei dieser LED-Lampe auch nicht über ein Dimmen derselben nachdenken, was schaltungsbedingt auch nicht möglich ist. Korrekterweise ist dieser Sachverhalt auf der Verpackung erwähnt.

Der elektrische Wirkungsgrad dieser LED-Lampe ist insbesondere bei Betrieb an 12V Wechselspannung mit 49% ausgesprochen schlecht, so dass es wenig Sinn macht, mit vielen solcher 1W-LED-Lampen (z.B. parallel geschaltet am selben Vorschaltgerät) eine größere Beleuchtung zu realisieren, die mehrere Stunden am Tag eingeschaltet ist.

Fazit 2

LED-Lampen und LED-Leuchtmittel für Betrieb an konstanter Spannung und mit Vorwiderständen (wie die beschriebene) sollte man für einen besseren Wirkungsgrad besser an 12V Gleichspannung betreiben als an 12V Wechselspannung.

Beim Umrüsten von Halogen auf LED wird das relativ einfach, wenn man das bisherige Halogenvorschaltgerät an zugänglicher Stelle durch ein 12VDC-(Schalt-)Netzteil ersetzen kann.

Bei dieser Gelegenheit sollte man aber vorher überlegen, ob man die neue LED-basierende Beleuchtung nicht auch noch dimmen möchte. Dann wird die Angelegenheit allerdings etwas komplexer.

Noch etwas

Warum auf dem Energie-Label der 1W-LED-Lampe die Angabe
"2 kWh/1000h" gemacht wird, vermag ich nicht zu interpretieren:

Energie-Label


Vielleicht ein verstecktes Eingeständnis für 50% Wirkungsgrad?
Oder nur ein Druckfehler?
Oder komplett das falsche Energie-Label?

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Marderscheuche zerlegt (23.10.2016)

Eine der diversen von mir verbauten Marderscheuchen M180 von Kemo hat zwar weitere Marderschäden[10] am Fahrzeug meiner Tochter verhindert, aber leider nach vier Jahren Dauereinsatz den Geist aufgegeben: Statt dem per LED angezeigten und normalerweise nur als kurzen Pflub hörbaren 23kHz-Fieb war es nun ein deutlich hörbares Krächzen.

Die M180 gibt es auch nach Jahren immer noch (inzwischen sogar mit einem besseren Sicherungshalter), so dass der Austausch einfach war.

Natürlich konnte ich das defekte Teil nicht einfach wegwerfen, sondern musste es zerlegen. Hier zunächst ein Foto nach dem Auftrennen der Membran, die ein Stück des IP65-Gehäuses ist:

M180_Deckel_geoeffnet

Und jetzt erkennt man auch schon das Übel: Offensichtlich hat sich die Klebestelle zwischen Membran-Stößel und dem Piezo-Schwinger gelöst, der sehr einfach (aber gut) per zweiseitig klebendem Schaumstoff auf der Rückseite der Elektronik-Platine befestigt ist.

Enthäust

Die beigefarbene Vergussmasse ist nicht allzu hart, so dass einem weiteren Vordringen in das Eingeweide nichts im Wege stand.
Hierzu habe ich zunächst das Gehäuse mit meinem Fein-MultiMaster weggemastert (das ging sowas von ruckzuck):

M180_Gehaeuse_entfernt


Beim weiteren Abtragen der Vergussmasse habe ich den Deckel eines Elkos haarscharf abgeflext:

M180_Platine


Die Vergussmasse ließ sich schließlich auch noch erstaunlich gut von der Elektronik trennen. Lediglich die Spule wurde etwas in Mitleidenschaft gezogen und ein kleiner Keramik-Kondensator (1µF) blieb in der Vergussmasse zurück (schlechte Lötstelle?).

Die Spule hat laut Aufdruck 1mH und der Elko 47µF/25V, wie man im spiegelbildlichen Abdruck auf der Vergussmasse (oberhalb des abgetrennten Deckels) sieht.

Die Widerstandswerte sind alle gut zu erkennen und der Aufdruck der Transistoren ebenfalls, so dass man ein vollständiges Schaltbild einfach erstellen könnte. Aber das war mir den Aufwand dann doch nicht wert.

Geschützt

Interessant sind einige Schutzmaßnahmen, nämlich eine stark dimensionierte Sicherung T 750 mA von Little Fuse (Nano-2 Serie 449?) in der positiven Zuleitung und eine Verpolschutzdiode, deren Typenbezeichnung ich leider nicht entziffern kann.

Ob die Elektronik auch gegen einen kräftigen Load-Dump-Impuls (wie er insbesondere in älteren Fahrzeugen vorkommen kann) immun ist, mag ich bezweifeln.

Es ist ein Sinus

Da ich vergessen hatte, die Spannung am Piezo-Schwinger vor dem Entfernen der Vergussmasse genauer anzuschauen, habe ich die Platine zum Messen wieder mit neuen Bauteilen vervollständigt und auch die durchgetrennte Leiterbahn geflickt:

    Während die LED leuchtet, liegt am Piezo-Schwinger ein sauberer Sinus mit ca. 25 kHz und 17 Vss an.

Fazit

Bis auf die gelöste Klebestelle am Piezo-Schwinger ist der/die/das M180 eigentlich ein solides Teil. Und hoffentlich bleiben alle damit ausgestatteten Fahrzeuge auch künftig vom Marder verschont!

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[1] Ein elektrischer Ferrit-Grundsatz lautet:

Lasse eine Spule mit Kern nicht in Sättigung geraten (= zulässigen Spitzenstrom überschreiten), sonst könnte die Spule schnell eigenmächtig ihre Induktivität verringern und der Spulenstrom (je nach Schaltung) beschleunigt ansteigen!

[2] Toshiba LR03G R, Größe AAA (Micro). Kapazität aus dem Toshiba-Datenblatt geschätzt auf ca. 600mAh. Bei 6 Stunden Leuchtdauer (laut "Technische Daten" der LED-Stirnleuchte-Beschreibung) wäre das ein mittlerer LED-Strom von 100mA.

[3] Gemessen mit einem Drehspulinstrument mit Ri = 0,2 Ohm, was auch einen stromreduzierenden Vorwiderstand darstellt.

[4] Der zur Sockelspitze führende 47-Ohm-Widerstand R wurde nachgemessen.
Es ist trotz Platinenbezeichung L keine Spule.
Mit L (an R und C2) und N (am Brückengleichrichter) werden offensichtlich die Netzanschlüsse bezeichnet.

[5] In AC-Stellung mit 10 Ohm Shunt-Widerstand, misst das arithmetische Mittel des per Brückengleichrichter (im Messgerät) gleichgerichteten Stromes.

[6] Das verwendete TRMS-DMM ist ein BM525 von Brymen.

Dieses DMM habe ich mir nicht nur für TRMS-Messungen, sondern auch wegen der Logger-Funktion zugelegt. Wenn man keine höhere Messgenauigkeit benötigt, ist dies ein sehr vielseitiges und robustes DMM. Mein älteres DMM ist ein UT61C von UNI-T, mit dem ich - bis auf die fehlenden Funktionen - grundsätzlich auch sehr zufrieden bin.

[7] Mit dem Scope wurde auch der RMS-Wert des AC-Stromes bestätigt.

[8] Obwohl das Scope unter der Vielzahl von Optionen zur Berechnung und Anzeige auch "RMS" (das quadratische Mittel) anbietet, wäre dies bei der elektrischen Leistung nicht korrekt. Für die Wirkleistung muss "Mean", also das arithmetische Mittel gewählt werden.

[9] Dort steht u.a. auch dieser Hinweis bezüglich Reinigung und Entsorgung von Bruchschäden:

"Reinigung: Befolgen Sie den Ratschlag für eine ordnungsgemäße Reinigung*

mit dem weiteren Hinweis:

"* Das Zerbrechen einer Lampe stellt eine höchst unwahrscheinliche Gesundheitsgefährdung dar. Zerbricht eine Lampe, durchlüften Sie den Raum für 30 Minuten und entfernen Sie die Teile, bevorzugt mit Handschuhen. Verstauen Sie die Teilen in einer geschlossenen Plastiktüte und entsorgen Sie diese bei Ihrer örtlichen Müllsammelstelle zur Wiederverwertung. Benutzen Sie keinen Staubsauger."

Zum Glück ist mir bei meinen Untersuchungen nichts zerbrochen ...

[10] In einer Tiefgarage wurde eine Unterdruckleitung der Abgasanlage zerbissen.

Bei meinem Auto wurde einmal eine Dämmmatte im Motorraum zerbröselt (in der Tiefgarage eines Hotels in München, vielleicht war es sogar ein Wolpertinger?), ein andermal war es in Italien ein Schlauch der Wasserkühlung, delikaterweise auf dem Heimweg im Stau direkt vor dem Gotthard-Straßentunnel angezeigt.

Seit Einbau eines M180 ist glücklicherweise bisher nichts mehr passiert.
Man muss nur fest genug daran glauben.