Hallo Forenfreunde,

vor einiger Zeit wurde das Thema im Forum mal angerissen: Wie sind eigentlich die aktuellen LED-Lampen aufgebaut, die die Glühlampen mittels dieser gelben LED-Streifen nachempfinden. Neulich gab eine solche Lampe bei mir den Geist auf, sie fing an unregelmäßig zu flackern. Zeit für eine Analyse:



So sieht die Lampe teilzerlegt aus. Im Schraubsockel E14 befindet sich erwartungsgemäß die Ansteuerelektronik, umhüllt und zur Schraubsockel isoliert von einer Silikonmanschette. Die Lampe selbst lässt schon von außen erkennen, dass sie vier LED-Streifen enthält. Die LEDs sind mit gelbem Leuchtstoff umhüllt.



Die Elektronik enthält nicht allzuviele Teile, aber - Überraschung - besteht auch nicht nur aus einer Gleichrichterbrücke, Vorwiderstand und einem Siebkondensator. Erkennbar sind folgende Teile:

• Ladewiderstand (schwarz umhüllt), dient gleichzeitig auch als Sicherungswiderstand, der bei Kurzschluss ohne Brandgefahr auslöst
  
• Gleichrichterbrücke
  
• Elko, 2,2 µF, 400V, 105°C, Hersteller SANCON
  
• 2 SMD-Widerstände, 47 Ohm, 1 MOhm
  
• IC mit 6 Anschlüssen, Aufdruck OB2D
  

Die Schaltung ist schnell aufgenommen, da gibt es keine Überraschungen. Beim IC (oder nur ein PowerMOS-FET?) stellt sich heraus, dass mehrere Beine miteinander verbunden sind, nach außen ist es ein Bauelement mit nur noch drei Anschlüssen. Der Elko wird von der Brücke über den 10-Ohm-Widerstand geladen und erreicht so ca. 325V Gleichspannung. Zwischen Plus der Gleichspannungsseite und dem IC liegen die vier LED-Streifen in Reihe, danach folgt nur noch das IC bis zum negativen Pol der Gleichspannung. Der 47-Ohm-Widerstand dient meiner Vermutung nach zum Einstellen des LED-Stromes, der 1MEG-Widerstand sorgt für die Entladung des Kondensators nach Ausschalten der Versorgung.

Bei Betrieb mit Nennspannung liegen über den vier LED-Streifen 300 V an. Am Oszi konnte ich noch kleine Einbrüche auf 285V jeweils zu Ende einer Halbperiode feststellen. Damit werden sie weitgehend mit Gleichstrom betrieben, leuchten also auch ohne Flimmern.



Und so sieht es primärseitig aus. Der Spannungssinus (325 V) ist an der Kappe etwas abgeschnitten. Der Elko-Ladestrom beträgt ca. 125 mA in der Spitze, lässt schnell nach, um nach ca. 2,8 ms ganz zur Ruhe zu kommen. Aber insgesamt sind Stromanstieg und -verlauf noch recht gutmütig. Eine Glühlampe mit Phasenanschnittdimmer erzeugt einen stärkeren Impuls, v.a. steilere Flanken.




Zum Schluss ist hier noch ein Bild von den Streifen, mit sehr geringem Strom betrieben. Da wird deutlich, dass jeder Streifen 24 einzelne LEDs enthält. Da sie rundum sichtbar sind, besteht der Träger sehr wahrscheinlich aus Glas oder Quarz. Jedenfalls habe ich in keiner Lage eine starke Abschattung gesehen, wie sie ein undurchsichtiger Träger erzeugen müsste. Kommt das hin? 300 V in Summe Flußspannung, 4 x 24 LEDs --> pro LED eine Flußspannung von 3,125V. Ja, liegt im üblichen Bereich weißer LEDs.

Der Defekt kam übrigens vom Elko. Während die Ursprungsschaltung auch zerlegt wieder zu flackern begann, war dies verschwunden, als ich einen intakten Elko parallel geschaltet habe. Die Lampe werde ich trotzdem nicht wieder zusammensetzen. Es handelt sich immerhin um eine netzbetriebene 230V-Schaltung und ich kann weder die Berührsicherheit noch den Brandschutz nach einer Bastelei umfassend wiederherstellen. Trotzdem, schade eigentlich. Ein Centteil führt dazu, dass die Lampe nach ca. 1,5 Jahren Betrieb nicht mehr nutzbar ist, obwohl Leuchtstreifen, Chip und Gleichrichter noch problemlos funktionieren. Jetzt ist ein Markenteil drin, ich bin gespannt, ob das länger durchhält.

Viele Grüße,
Christian

Kleiner Nachtrag:

Ich habe mich noch etwas mit dem Konstantstrom-IC beschäftigt, es ausgelötet und mit einer LED, Strommesswiderständen und diversen Spannungen betrieben, um der Innenschaltung auf die Spur zu kommen. Ob ich das jemals wieder brauche? Keine Ahnung, aber es befriedigt meine Neugier.

Die Spannungsmessungen und die ursprüngliche Beschaltung am Strombegrenzer-IC ließen Rückschlüsse auf das Arbeitsprinzip zu. Unter der aufgedruckten Bezeichnung habe ich keine Daten im Web gefunden, also musste es so gehen. Das ist nicht weiter tragisch, kompliziert ist die Sache nicht. Das Ding arbeitet nach dem folgenden Prinzip, die IC-Innereien sind im blauen Rechteck dargestellt:



An R2 fallen 0,625V ab. Das spricht für eine BE-Strecke eines Transistors in derselben Schaltungsmasche, der die Strombegrenzung aktiviert. Der Rest ist schnell erzählt. Dieser Transistor Q1 klaut dem anderen - Q3 - den Basisstrom, wenn er öffnet, und begrenzt so den fließenden Strom durch die LED-Kette, Q3 und R2 auf den ungefähren Wert Ube/R2.
Ob Q3 nun ein Bipolartransistor oder ein N-Mosfet ist, kann ich nicht sicher sagen. Beides ist denkbar, die geringe Restspannung von ca. 4 V zwischen IC+ und IC-sense deutet eher in Richtung Bipolartransistor.

In den Chip integriert ist R1, der den Basisstrom für den Regeltransistor Q3 liefert. Er ist in Wirklichkeit mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Konstantstromquelle. Am Anschluss IC- verließen den Chip stets 130 µA, egal, ob nun 8, 15 oder 20V an IC+ anlagen. Das passt nicht zu einem Festwiderstand, da müssten die Ströme mit zunehmender Spannung ansteigen. Es ist bei integrierten Schaltungen ja auch einfacher, eine Stromquelle vorzusehen, als einen Widerstand.

Alles in allem: eine kleine, aber effektive Schaltung. Vielleicht nutze ich sie, um eine Stromquelle zum schnellen Testen von Zenerdioden, LEDs u.ä. aufzubauen. Diskret ginge das auch mit der obigen Schaltung, aber nun liegt mal so ein nettes IC herum. Wer etwas Vergleichbares sucht, der BCR 420UW67 ist ähnlich, arbeitet aber mit Dioden zum Klauen des Basisstroms.

Viele Grüße,
Christian

Hallo Reinhard,

Danke für Deine Reaktion und die geteilten Links. Ich würde da gerne nochmals präzisieren, vor allem im Hinblick auf Mitleser.

Die diskutierten ICs für Gartenlampe mit Akku, beziehungsweise für eine 230V- Lampe unterscheiden sich deutlich in der Funktion.

Erstere treiben meist eine LED mit einer Spannungsquelle, deren Ausgangsspannung unterhalb der Fließspannung der LED liegt. Dazu nutzen sie stets eine mit der Last in Reihe liegende Induktivität und realisieren eine primitive Art von Aufwärtsregler. Am Ausgang entsteht ein pulsierender Gleichstrom.

Letztere sind oft sehr simple Konstantstrom-Schaltungen und laufen unter dem Überbegriff Low-Side-Constant-Current-LED-Driver. Sie liefern ungepulsten Gleichstrom und verheizen gezielt einen gewissen Teil der zugeführten Energie.

Zu den Aufwärtsreglern gibt es eine nachbausichere und diskret aufgebaute Variante bei Burkhard Kainka, die ein dankbares und einfaches Bastelprojekt abgibt.

b-kainka.de/bastel36.htm

Viele Grüße,
Christian

Es tut sich was bei den LED-Lampen. Die Tage gab die Esszimmerlampe ihren Geist auf. Von jetzt auf gleich, ein kurzes Flackern, danach war komplett Ruhe. Die zerlegte Lampe mit ihrer Elektronik im E27-Schraubsockel besitzt nicht mehr nur eine Konstantstromquelle, sondern einen Step-Down-Wandler auf Basis des Schaltkreises SM7315P. Hier ist die Applikationsschaltung vom Datenblatt:



Die realisierte Schaltung besitzt nur einen Elko, dafür noch ein paar Entstörelemente primärseitig: eine Festinduktivität und einen Folienkondensator. Mal sehen, ob ich die Ursache des Ausfalls finde und ein paar Messungen machen kann.

Viele Grüße,
Christian

Stimmt, es geht hier Mal nicht ums Reparieren. Speziell diese LED-Filament-Lampen bekommt man mit Laienmitteln nicht wieder brandschutzgerecht zusammengesetzt.

Frage 1: Was ist drin?
Frage 2: Welches Bauteil führte zum Defekt?
Frage 3: Was kann man eventuell noch in der Bastelkiste gebrauchen?

Die ersten billigen LED-Filament-Lampen besaßen gerade einmal eine Gleichrichterbrücke und einen Vorwiderstand als Treiberschaltung. Sie flimmerten für empfindliche Augen sichtbar. Etwas später kam ein Elko dazu. Nächste Stufe: lineare Stromregelung, siehe frühere Posts.

Das aktuelle Exemplar muss vier Filamente treiben, jedes mit 82 Volt Flußspannung und 20 mA Strom. Je zwei sind in Reihe geschaltet. Der Treiber muss also 164 V bei 40 mA liefern.

Zwei der vier LED-Strips haben keinen Durchgang mehr. Werden sie überbrückt, funktioniert das System wieder. Der Step-Down-Wandler reduziert die Spannung am Ausgang auf 82 V. Es ist diesmal also nicht der Elko. Warum sie durchgebrannt sind, kann ich nicht beantworten.

Da hier ein Schaltregler am Werken ist, der mit einem Mosfet die Stromzufuhr zur Speicherdrossel schaltet, könnte die Lampe Störungen im HF-Bereich emittieren. Außerdem sorgt die Nachladung des Elkos durch die Diodenbrücke für Schaltimpulse. Beides sollen die verbauten Entstörelemente weitgehend unterdrücken. Vom Netz kommend muss der Strom deshalb erst durch einen 10-Ohm-Sicherungswiderstand, bevor er zur Diodenbrücke gelangt. Danach kommt noch eine Festinduktivität mit 2,2 mH. Parallel zu den Dioden gibt es einen 0,1 uF-Folienelko mit 400 V Spannungsfestigkeit. Daran ist jedenfalls erst einmal nichts ungewöhnlich.

Der Oszi am Ladeelko fördert noch folgende Daten zutage: Spannungshub pro 100 Hz-Ladezyklus: 50 Volt bei ca. 330 Volt mittlerer Spannung. Diese Lade-Entladezacke ist überlagert von einem feineren Sägezahn, der durch den ESR des Elkos beim Zuschalten der Speicherdrossel durch den Schaltregler entsteht. Die Schaltfrequenz beträgt etwas über 80 kHz, eine Periode dauert ca. 12 µs. Bei Nennlast (defekte LED-Strips durch passende Widerstände gebrückt) fließt ca. 4,5 µs lang Strom, danach erfolgt der sehr schnelle Abschaltvorgang. Innerhalb von Bruchteilen einer Mikrosekunde stoppt der Stromfluss. Die restliche Zeit von ca. 7 µS versorgt die Speicherdrossel die LEDs. Dabei ist die Diode D1 wichtig, über sie läuft in dieser Zeit der Stromfluss. Sie muss aber sehr schnell wieder sperren, sobald der Chip den Stromfluss vom Ladekondensator wieder zuschaltet, ansonsten fließt über sie ein Kurzschlußstrom, der das Bauteil erwärmt und die Verluste des Schaltreglers erhöht. Deshalb ist das eine Superfast-Recovery-Diode, die innerhalb von wenigen Nanosekunden vom leitenden in den Sperrzustand übergeht.

Bei verringerter Ausgangsspannung (defekte Strips kurzgeschlossen) erhöht sich die Schaltfrequenz auf ca. 120 kHz, und die Einschaltdauer pro Schaltperiode verringert sich auf ca. 20%.

Wenn dieser Schaltregler auch mit ungefährlichen Spannungen zum Laufen zu bekommen ist, werde ich wohl mal etwas damit experimentieren. Der Charme des ICs besteht in den wenigen notwendigen externen Bauteilen.

Viele Grüße,
Christian